3, сентябрь 2012  —  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 ® E 5-2690.

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 Top 50 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:

• Простота и высокая надежность;
• Экономическая эффективность;
• Высокая энергоэффективность – рекордный показатель эффективности использования электроэнергии (PUE) менее 1,2, то есть не более 20% энергопотребления будет расходоваться на охлаждение;
• Компактность и высокая плотность;
• Большой коэффициент вычислительной эффективности – более 90% на тесте LINPACK;
• Высокая масштабируемость;
• Возможность использования будущих сопроцессоров Intel ® Xeon ® Phi ™.

Об истории создания лаборатории I-SCALARE в МФТИ

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.