突破傳統“超算”加速新藥研發(fā)

近年來(lái)，傳統的基于結構（structure-based）的設計方法已經(jīng)逐漸達到其極限，使得用于藥物研究和發(fā)現的資本開(kāi)支呈指數級增長(cháng)。因而，對于藥物設計領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，基于運動(dòng)（ motion-based）的藥物設計方案，即分子動(dòng)力學(xué)模擬，堪稱(chēng)業(yè)界最激動(dòng)人心也最具創(chuàng )新性的進(jìn)步之一。而分子動(dòng)力學(xué)模擬的實(shí)現，則對算力有極高的要求。

在過(guò)去，只有大型超級計算機才有能力為分子動(dòng)力學(xué)計算提供足夠的算力。但是致力于提供“專(zhuān)用超算”解決方案的雪湖科技，希望打破這個(gè)瓶頸，開(kāi)發(fā)出一種比傳統超級計算機性能更高而且成本更低、能效更高的解決方案。

基于FPGA的分子動(dòng)力學(xué)專(zhuān)用引擎

如上所述，為了促進(jìn)醫學(xué)的發(fā)展，藥物研發(fā)已進(jìn)步到分子層面。在這個(gè)層面上，科學(xué)家能夠更加深入地理解分子和生物過(guò)程的作用，解開(kāi)它們運動(dòng)的奧秘。

雪湖科技生命科學(xué)計算首席科學(xué)家盛楠博士表示：“就像破案時(shí)‘看監控錄像’遠比‘看現場(chǎng)照片’要容易捕捉作案細節一樣，分子動(dòng)力學(xué)模擬讓藥物設計人員更直接的‘看到’藥物分子的整個(gè)生效過(guò)程，從而大幅提高新藥研發(fā)的成功率”

成立于2017年的上海雪湖科技公司，是一家致力于高性能計算產(chǎn)品研發(fā)與解決方案的創(chuàng )新企業(yè)。該公司主要為生命科學(xué)、石油天然氣勘探、自動(dòng)駕駛、分布式存儲和其他相關(guān)領(lǐng)域提供創(chuàng )新型專(zhuān)用高性能計算解決方案和產(chǎn)品。

雪湖科技設計并研發(fā)的“Yaddle MD”是一個(gè)基于FPGA的分子動(dòng)力學(xué)專(zhuān)用引擎。這是一種在賽靈思 Alveo? 加速卡上實(shí)現的分子動(dòng)力學(xué)計算專(zhuān)用解決方案， 其借助賽靈思運行時(shí)庫 (XRT) 通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)專(zhuān)用API為常用的分子動(dòng)力學(xué)軟件和其他分析插件提供兼容性支持。

圖1–藥物研究與發(fā)現過(guò)程中使用的分子動(dòng)力學(xué)計算

從性能上看，雪湖科技Yaddle MD FPGA分子動(dòng)力學(xué)專(zhuān)用引擎運行在A(yíng)lveo加速器卡上，比僅用CPU的分子動(dòng)力學(xué)軟件方案高近50倍，比使用GPU加速的分子動(dòng)力學(xué)軟件方案高兩倍，如圖 2所示。與此同時(shí)，FPGA 的功耗僅為CPU的2/3， GPU 的2/9，為此使得Yaddle MD每度電可以提供的模擬量是CPU的近100倍，GPU的近10倍。

圖2–雪湖科技Yaddle MD FPGA分子動(dòng)力學(xué)專(zhuān)用引擎與競爭解決方案相比，性能更高且能耗更低

自適應Alveo 加速器卡的價(jià)值

由于復雜算法演進(jìn)的速度已經(jīng)遠遠超越了芯片的設計周期，因此功能固定的 GPU和ASIC 器件無(wú)法跟上發(fā)展節奏?；谫愳`思16nm UltraScale?架構而構建的賽靈思 Alveo 加速器卡，專(zhuān)為滿(mǎn)足瞬息萬(wàn)變的現代數據中心需求而設計，面向機器學(xué)習推斷、視頻轉碼、數據庫搜索和分析等常見(jiàn)工作負載，可提供比 CPU 高達 90 倍的性能。

Alveo U200 加速器卡

Alveo 加速器卡為打造Yaddle MD提供了獨特的可重配置加速功能，不僅能夠支持其靈活適應算法的持續優(yōu)化，而且還能在支持任意類(lèi)型工作負載的同時(shí)，降低總擁有成本。

Yaddle MD借助Alveo U200 加速器卡實(shí)現了超高性能的FPGA 分子動(dòng)力學(xué)算法，能夠執行非常復雜的計算?；趩螐?Alveo 卡，Yaddle MD就可實(shí)現比使用CPU 和 GPU 處理器更高的性能，提供此前只有超級計算機才能提供的強大算力，從而可以大幅加速生物分子的動(dòng)力學(xué)模擬速度。

借助Yaddle MD ，助力用戶(hù)可以實(shí)現：

●   在單片FPGA 上實(shí)現完整的分子動(dòng)力學(xué)計算，從而釋放大量CPU資源

●   實(shí)現原子間相互作用的分布式式流水線(xiàn)計算，顯著(zhù)提高計算性能

●   編碼原子之間的鍵合信息，并在實(shí)時(shí)計算過(guò)程中對其進(jìn)行解碼

●   通過(guò)工具集為常用的分子動(dòng)力學(xué)軟件和其他分析工具（包括格式轉換）提供兼容性支持

盛楠博士表示：“高性能是確保分子動(dòng)力學(xué)計算高效和精準的關(guān)鍵，雪湖科技基于A(yíng)lveo 的高性能分子動(dòng)力學(xué)專(zhuān)用引擎，不僅能為客戶(hù)節省大量時(shí)間成本，而且讓基于動(dòng)力學(xué)的藥物設計由不可能變?yōu)榭赡堋薄?/p>

目前，雪湖科技的 Yaddle MD引擎已經(jīng)開(kāi)始通過(guò)阿里云提供MD加速服務(wù)，其基于 Alveo 卡的加速方案也正在小規模對外開(kāi)發(fā)測試中。與此同時(shí)，雪湖科科技的創(chuàng )新步伐還在繼續，其計劃未來(lái)將通過(guò)多個(gè)Alveo設備結合的形式繼續擴展仿真能力，進(jìn)一步為分子動(dòng)力學(xué)計算應用提速并擴大吞吐量。