Удвоение производительности суперкомпьютера лаборатории I-SCALARE в МФТИ позволит российским ученым достичь новых исследовательских успехов в биомедицине и фармакологии

Группа компаний РСК объявила о двукратном увеличении производительности энергоэффективного суперкомпьютера, разработанного ее специалистами для решения сложных научных задач в Лаборатории суперкомпьютерных технологий для биомедицины, фармакологии и малоразмерных структур I-SCALARE (Intel super computer applications laboratory for advanced research) при Московском физико-техническом институте. Эта лаборатория была создана на базе МФТИ в рамках гранта Правительства России в 2010 г. Теперь, благодаря возросшей в два раза до 83,14 TFLOPS (триллионов операций в секунду над числами плавающей запятой) пиковой производительности суперкомпьютера, российские ученые смогут проводить более масштабные исследования, достичь очередных успехов в моделировании поведения вирусов и в создании в будущем новых лекарств для борьбы со многими опасными заболеваниями. Данный проект реализуется при участии сотрудников МФТИ и корпорации Intel, а группа компаний РСК разработала и установила инновационный вычислительный кластер на базе передовой архитектуры "РСК Торнадо" и самых высокопроизводительных серверных процессоров Intel Xeon E5-2690.

Контракт на текущее расширение суперкомпьютера в лаборатории I-SCALARE был заключен между компанией "РСК Технологии" (входящей в группу компаний РСК) и МФТИ в июле. Обновленный суперкомпьютер в МФТИ будет введен в строй в этом году. Модернизированный кластер будет состоять из двух вычислительных стоек, содержащих в сумме 224 вычислительных узла на базе двух процессоров нового поколения Intel Xeon E5-2690 каждый (всего 448 процессоров, 3584 ядра). Использование самых высокопроизводительных моделей процессоров нового серверного семейства Intel Xeon E5-2600 стало возможным именно благодаря применению передового жидкостного охлаждения, являющего основой архитектуры "РСК Торнадо". При этом обеспечивается поддержка большого объема оперативной памяти на один узел - 64 ГБ, что суммарно составляет 14,3 ТБ ОЗУ для всей системы.

Суперкомпьютер в МФТИ был разработан на базе инновационной архитектуры "РСК Торнадо" и реализован в рамках продуктовой линейки "РСК миниЦОД", что позволило обеспечить очень большую гибкость и линейную масштабируемость данного решения - с момента создания этот вычислительный кластер фактически уже прошел два этапа модернизации, при этом его производительность вырастет более чем в 33 раза (со времени установки первой пилотной системы) при занимаемой площади менее чем 4 кв.м.

Биоинформатика и моделирование лекарственных препаратов являются одними из самых быстрорастущих областей знаний, где существует острая необходимость использования высокопроизводительных вычислений на суперкомпьютерах. Актуальность исследований, проводимых на базе лаборатории I-SCALARE, состоит в том, что прорывы в сфере новых методов медицинской диагностики, лечения, создания новых лекарств и т.д. возможны только с развитием новых вычислительных моделей и платформ, учитывающих специфику био-медико-фармацевтических задач. Совместная реализация этого проекта сотрудниками МТФИ, специалистами корпорации Intel и группы компаний РСК, несомненно, позволяет вывести исследования в данной области на новый уровень.

За время использования суперкомпьютера в лаборатории I-SCALARE уже достигнут целый ряд новых научных результатов.

Например, исследовательская группа под руководством профессора Романа Ефремова при Институте биоорганической химии РАН использует вычислительный кластер в МФТИ для исследования в области конструирования нового класса антимикробных соединений на основе природных лантибиотиков. В ходе развития данного проекта, проведения расчетов и моделирования получены микросекундные траектории молекулярной динамики (МД) мишени действия антибиотиков (молекулы липида-II) в мембране бактерий. Использование обновленного суперкомпьютера лаборатории I-SCALARE позволяет получать траектории такой длительности для систем, содержащих свыше 50 тыс. атомов, примерно за неделю. Для сравнения, на вычислительном кластере на базе процессоров предыдущего поколения Intel Xeon E5450, активно используемом в настоящее время в ИБХ РАН, подобный расчет занимал бы примерно 100 дней, то сейчас благодаря высокой производительности суперкомпьютера даже еще до текущей модернизации скорость получения научных результатов уже увеличилась более чем в 14 раз. Анализ полученных траекторий МД позволил установить характерные особенности строения бактериальной мембраны. На модернизированном суперкомпьютере лаборатории I-SCALARE в этом году будет проведено более детальное моделирование взаимодействия лантибиотиков с липидом-II в мембране. В перспективе такие исследования могут привести к созданию нового класса антибиотиков, не подверженных появлению резистентности у бактерий.

Задачи моделирования структуры белковой оболочки и молекулярной динамики опасных для человека вирусов типа Flavivirus (например, вируса лихорадки Денге) и процессов их взаимодействия с клетками организма решаются на суперкомпьютере лаборатории I-SCALARE учеными исследовательской группы химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова под руководством академика Н.С. Зефирова. По словам ведущего научного сотрудника Владимира Палюлина, в ходе проведенных исследований построены молекулярные модели мембраны вириона и фрагмента белковой оболочки, включающие миллионы атомов. Это позволило получить информацию о пространственном строении вирусного белка, недоступную экспериментальными методами, а затем проанализировать его динамическое поведение и связывание с ним молекул, препятствующих слиянию флавивирусов с клетками человека. На основе таких моделей осуществлён компьютерный поиск потенциальных ингибиторов слияния вируса клещевого энцефалита и идентифицированы перспективные соединения, проявившие необходимую активность в тестах in vitro. В рамках работ по дизайну новых нейропротекторных веществ построены модели полной структуры NMDA-рецептора, с помощью суперкомпьютера проводится моделирование его молекулярной динамики в фосфолипидной мембране с водным окружением, а также взаимодействия с известными нейропротекторами (система включает сотни тысяч атомов). Изучены закономерности связи их структуры с активностью, предложен возможный механизм действия модуляторов рецептора и на этой основе ведется поиск новых перспективных структур с нейропротекторной активностью. Такие структуры могут послужить основой для создания в будущем препаратов для лечения тяжелых нейродегенеративных заболеваний, в частности болезни Альцгеймера.

Инновационный вычислительный кластер в МФТИ

Группа компаний РСК, ведущий в России и СНГ разработчик и интегратор "полного цикла" суперкомпьютерных решений нового поколения на основе архитектур корпорации Intel и передового жидкостного охлаждения, в рамках контракта с МФТИ разработала и установила в 2011 году в лаборатории суперкомпьютерных технологий для биомедицины, фармакологии и малоразмерных структур I-SCALARE пилотную систему на базе передовой архитектуры "РСК Торнадо" и процессоров предыдущего поколения семейства Intel Xeon 5600. Ранее в этом году она была модернизирована до уровня мощного вычислительного кластера, представляющего собой законченное решение класса "РСК миниЦОД" с пиковой производительностью 41,57 TFLOPS. В текущей мартовской редакции списка Top50 самых высокопроизводительных суперкомпьютеров России и стран СНГ эта система заняла 20 место. Теперь же ее производительность вырастет вдвое до 83,14 TFLOPS.

Инновационная архитектура "РСК Торнадо" - это первое в мире энергоэффективное суперкомпьютерное решение с передовым жидкостным охлаждением для массово доступных стандартных серверных плат на базе процессоров Intel Xeon, изначально создававшихся для традиционных систем с воздушным обдувом электронных компонент. Архитектура "РСК Торнадо" обеспечивает гибкость конфигурации вычислительных узлов со стандартными интерфейсами и простоту построения решения для нужд различных пользователей системы: например, увеличение объема оперативной памяти, обновление на новые модели процессоров, возможность интеграции с внешними устройствами со стандартными интерфейсами PCI Express.

На текущий момент кластерная система в МФТИ оснащена системой хранения данных емкостью 10 ТБ, а коммуникационная сеть построена на базе высокоскоростного интерфейса Infiniband QDR. Архитектура "РСК Торнадо" обеспечивает этот вычислительный кластер следующими уникальными характеристиками:

Об истории создания лаборатории I-SCALARE в МФТИ

В 2010 г. сотрудник корпорации Intel Владимир Пентковский совместно с учеными МФТИ представил на конкурс, объявленный Министерством образования и науки РФ в рамках выполнения постановления правительства России №220, программу по исследованию и разработке программно-аппаратных архитектур, которые были бы максимально эффективны при решении сложных задач биоинформатики и фармакологии, требующих больших вычислительных ресурсов. Владимир Пентковский, известный разработчик программно-аппаратных архитектур, заслуженный исследователь Intel, обладает большим опытом создания научных коллективов в России, США и Индии. Он владеет 40 международными патентами, что подтверждает его высокий авторитет. Проект доктора Пентковского, выступившего руководителем проектной команды, вошел в число 40 победителей и получил грант в размере 150 млн. руб. на создание лаборатории в МФТИ и проведение исследований по предложенному им проекту. Всего на конкурс было подано более 500 заявок.

Корпорация Intel на протяжении продолжительного времени активно сотрудничает с российскими вузами в сфере научных исследований, внедрения новых учебных программ, формирования экосистемы инноваций через кооперацию высших учебных заведений и индустрии. Intel является базовой организаций для факультета радиотехники и кибернетики МФТИ, поэтому совместный проект с выделенным государственным финансированием стал логическим развитием этого сотрудничества.

Стоит отметить, что лаборатория I-SCALARE осуществляет не только научную, но и учебную деятельность. Ее сотрудниками был разработан учебный курс по использованию симуляторов для моделирования различных вычислительных систем. Кроме того, в лаборатории регулярно проводятся научные семинары, а Владимир Пентковский стал научным руководителем нескольких аспирантов и студентов МФТИ.

www.rscgroup.ru, mipt.ru  и  www.intel.ru