突破傳統(tǒng)“超算”加速新藥研發(fā)

近年來，傳統(tǒng)的基于結(jié)構(gòu)（structure-based）的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)逐漸達(dá)到其極限，使得用于藥物研究和發(fā)現(xiàn)的資本開支呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。因而，對(duì)于藥物設(shè)計(jì)領(lǐng)域來說，基于運(yùn)動(dòng)（ motion-based）的藥物設(shè)計(jì)方案，即分子動(dòng)力學(xué)模擬，堪稱業(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(xiàn)，則對(duì)算力有極高的要求。

在過去，只有大型超級(jí)計(jì)算機(jī)才有能力為分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算提供足夠的算力。但是致力于提供“專用超算”解決方案的雪湖科技，希望打破這個(gè)瓶頸，開發(fā)出一種比傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)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)專用引擎

如上所述，為了促進(jìn)醫(yī)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程的作用，解開它們運(yùn)動(dòng)的奧秘。

雪湖科技生命科學(xué)計(jì)算首席科學(xué)家盛楠博士表示：“就像破案時(shí)‘看監(jiān)控錄像’遠(yuǎn)比‘看現(xiàn)場(chǎng)照片’要容易捕捉作案細(xì)節(jié)一樣，分子動(dòng)力學(xué)模擬讓藥物設(shè)計(jì)人員更直接的‘看到’藥物分子的整個(gè)生效過程，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(jì)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(chǔ)和其他相關(guān)領(lǐng)域提供創(chuàng)新型專用高性能計(jì)算解決方案和產(chǎn)品。

雪湖科技設(shè)計(jì)并研發(fā)的“Yaddle MD”是一個(gè)基于FPGA的分子動(dòng)力學(xué)專用引擎。這是一種在賽靈思 Alveo? 加速卡上實(shí)現(xiàn)的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算專用解決方案， 其借助賽靈思運(yùn)行時(shí)庫(kù) (XRT) 通過分子動(dòng)力學(xué)專用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(xiàn)過程中使用的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算

從性能上看，雪湖科技Yaddle MD FPGA分子動(dòng)力學(xué)專用引擎運(yùn)行在Alveo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)，F(xiàn)PGA 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)專用引擎與競(jìng)爭(zhēng)解決方案相比，性能更高且能耗更低

自適應(yīng)Alveo 加速器卡的價(jià)值

由于復(fù)雜算法演進(jìn)的速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了芯片的設(shè)計(jì)周期，因此功能固定的 GPU和ASIC 器件無法跟上發(fā)展節(jié)奏。基于賽靈思16nm UltraScale?架構(gòu)而構(gòu)建的賽靈思 Alveo 加速器卡，專為滿足瞬息萬(wàn)變的現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心需求而設(shè)計(jì)，面向機(jī)器學(xué)習(xí)推斷、視頻轉(zhuǎn)碼、數(shù)據(jù)庫(kù)搜索和分析等常見工作負(fù)載，可提供比 CPU 高達(dá) 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(dú)特的可重配置加速功能，不僅能夠支持其靈活適應(yīng)算法的持續(xù)優(yōu)化，而且還能在支持任意類型工作負(fù)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(xiàn)了超高性能的FPGA 分子動(dòng)力學(xué)算法，能夠執(zhí)行非常復(fù)雜的計(jì)算?；趩螐?Alveo 卡，Yaddle MD就可實(shí)現(xiàn)比使用CPU 和 GPU 處理器更高的性能，提供此前只有超級(jí)計(jì)算機(jī)才能提供的強(qiáng)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 ，助力用戶可以實(shí)現(xiàn)：

●   在單片F(xiàn)PGA 上實(shí)現(xiàn)完整的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算，從而釋放大量CPU資源

●   實(shí)現(xiàn)原子間相互作用的分布式式流水線計(jì)算，顯著提高計(jì)算性能

●   編碼原子之間的鍵合信息，并在實(shí)時(shí)計(jì)算過程中對(duì)其進(jìn)行解碼

●   通過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(zhuǎn)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(jì)算高效和精準(zhǔn)的關(guān)鍵，雪湖科技基于Alveo 的高性能分子動(dòng)力學(xué)專用引擎，不僅能為客戶節(jié)省大量時(shí)間成本，而且讓基于動(dòng)力學(xué)的藥物設(shè)計(jì)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)開始通過阿里云提供MD加速服務(wù)，其基于 Alveo 卡的加速方案也正在小規(guī)模對(duì)外開發(fā)測(cè)試中。與此同時(shí)，雪湖科科技的創(chuàng)新步伐還在繼續(xù)，其計(jì)劃未來將通過多個(gè)Alveo設(shè)備結(jié)合的形式繼續(xù)擴(kuò)展仿真能力，進(jìn)一步為分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算應(yīng)用提速并擴(kuò)大吞吐量。