领域高性能计算的引进及应用情况介绍(一)
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【关键词】 中医药高性能计算；科研工具；计算机科学
高性能计算是计算机科学的一个分支,研究并行算法和开发相关软件,致力于开发高性能计算机。在科学技术迅猛发展的今天,高性能计算已经成为科学技术发展和重大工程设计中具有战略意义的研究手段,它与传统的理论研究和实验室实验一起构成了现代科学技术和工程设计中互相补充、互相关联的研究方法,提高了科学研究的能力,促进和推动了现代科学与工程技术的发展。美国等发达国家在高性能计算方面发展很快,并一直把它作为国家战略给予高度重视,在国家层面予以组织实施。目前,高性能计算在国内外很多领域已经取得了大量应用成果。在生命科学领域,高性能计算在探究基因奥秘、蛋白质结构、生物信息以及医药设计等方面已经成为不可或缺的辅助工具；此外,将生命科学和信息科学进行结合,从而为生物医学提供有价值的信息作为参考依据更是被一些主流研究机构视为重要的应用。目前,我国的高性能计算虽然与发达国家相比还有很大的差距,但在很多的科技领域已经通过有效地引进和运用高性能计算取得了很多的科研成果。
鉴于目前高性能计算在国内外的快速发展和广泛应用,中国中医科学院中医药信息研究所在2007年10月购置和引进了中医药行业第一套高性能计算系统――曙光TC 2600刀片服务器。该系统具有50个计算节点,2个数据库节点,1个I/O节点,1个管理节点,一个登陆节点,共计55个节点,存贮达4 T容量,峰值浮点计算能力11 800亿次/s,实测并行性能8 600亿次/s。在2007年12月完成了设备的验货、安装、调试、测试、验收,目前已经测试运行了Linpack、PMB、IOzone、Stream等程序,以及生物计算领域的VASP应用程序；安装了中国科学院计算技术研究所开发的网格软件GOS3.0,目前正在与浙江大学计算机系合作进行中医药网格的研制和开发工作。
系统硬件配置：曙光TC 2600刀片服务器,2*AMD Opteron 2218双核CPU,4 GB内存；80 G硬盘,千兆以太网卡,共50台刀片机组成；I/O管理节点2台；登录节点1台；数据库节点2台,4*AMD Opteron 8214双核,16 G内存,73 G硬盘两块；Infiniand 10 G网络1套；磁盘阵列：300 GB FC硬盘8块,500 GB SATAII硬盘8块。
系统软件配置：LINUX操作系统 Redhat企业版1套；曙光刀片管理软件1套；集群系统软件：曙光集群系统管理软件(DCMS)1套,曙光集群系统部署软件(DCIS)1套,并行命令软件(MTERM)1套,作业调度系统(DPBS/Torque)1套；双机高可用软件RoseHA 1套；GNU C/C++编译器1套；GNU Fortran77/90编译器1套；DataDisplay Debugger 1套；CodeAnalyst系统性能分析工具1套；OpenMPI 1套；Mvapich 1套；MPICH/Lam-MPI 1套；PVM 1套；ACML 1套；APL 1套；LAPACK,ScaLAPACK 1套；HDF5 1套；BLAS、GOTO、Atlas 1套。
这套系统是目前我国中医药行业引进的第一套高性能计算设备,由于中医药行业的独特性,目前国内外还没有这方面成熟的行业应用经验可供参考,如何使高性能计算尽快成功应用于中医药行业,目前还面临着许多开创性的工作。希望能够通过借鉴目前国内生物医学领域的一些成功应用,为加快高性能计算在中医药行业的应用、普及和提高提供些有益的帮助和借鉴。
上海超级计算中心：上海超级计算中心成立于2000年12月,由上海市政府投资建设,座落于浦东张江高科技开发园区内,是国内第一个面向社会开放,资源共享、设施一流、功能齐全的高性能计算公共服务平台,目前已经在气象预报、药物设计、生命科学、汽车、新材料、土木工程、物理、化学、航空、航天、船舶等多个应用领域取得了一批重大成果,发挥了重要作用。
上海药物研究所：中国科学院上海药物研究所药物发现与设计中心成立于2001年,是一个以基因信息和蛋白结构为基础,以药物设计、化学合成和现代生物技术为主要研究手段的创新药物研发中心。该中心除了拥有大量先进的用于分子生物学和药物研究的实验仪器设备,以及SGI(64个CPU)和国产“神威”高性能计算机之外,还拥有最先进的分子模拟和药物设计软件,如：InsightII、Catalyst、TOPKAT、Sybyl和DOCK等。此外,他们还利用MDL公司所提供的“药物数据报道数据库(MDDR)”、“综合药物化学数据库(CMC)”、“化合物筛选数据库(ACD-SC)”和自主开发的“中国天然产物数据库(PD)”等数据库,建立了超过250万个化合物的大型药物虚拟筛选数据系统。在抗SARS科研攻关中,他们参加了抗SARS的药物研究,在探索SARS病毒的致病机理、药物设计、虚拟筛选和分子水平筛选的工作中高性能计算发挥了非常重要的作用。
此外,中国科学院院上海药物研究所沈建华等学者密切注意国际网格技术发展动向,及时组织跨学科、跨科研院所和跨地区的交叉学科研究队伍,开展高性能药物研发网格技术研究,该项研究2002年获得“863”计划“高性能计算机及其核心软件专项”的支持,研究人员针对高通量虚拟筛选计算量和数据量大的特点,开展了药物设计网格的各种关键技术的研究,建立了“新药研发应用网格”技术平台。目前,上海、北京和香港地区的多个超级计算机和计算机机群等计算资源已经加入这一平台,形成了超过每秒万亿次浮点运算能力的应用网格系统。上海药物研究所将自己开发的高通量虚拟筛选软件进行了异机(不同型号的计算机之间)并行化,安装在该技术平台上；同时,在该平台上还安装了含有120万个化合物信息的数据库和各类药物靶标蛋白结构数据库,在该平台上开展了多项国际合作研究。新药研发网格的建立,为真正实现公共计算和数据资源的共享奠定了基础,对创新药物研究具有重要的意义。
国家新药筛选中心：国家新药筛选中心应用先进的高通量和高内涵药物筛选技术,对我国特有的化合物样品库(包括中药在内的天然产物)在高性能计算平台上实施大规模随机筛选。在对筛选发现的活性化合物进行结构优化改造的基础上,开发治疗肿瘤、中枢神经系统疾病和代谢性疾病的原创新药。该中心在国际合作方面不断取得进展,如在与瑞士actelion 医药公司的合作中发现了一个至今尚未见报道的神经调节肤 u-1受体选择性小分子激动剂；与日本田边制药株式会社开展原创药物筛选合作研究中发现了一个具有高度生物活性、结构全新的烟碱型乙酰胆碱受体的小分子调节剂；与美国celloinks公司建立了战略伙伴关系,建立了我国首个具有国际先进水平的高内涵药物筛选技术平台并投入实用。这些成绩不仅提升了我国新药研究的技术水平和国际知名度,而且为相关先导化合物的下游开发奠定了坚实的基础。
复旦张江新药筛选及评价研发平台：在新药筛选及评价研发平台的基础上,复旦张江与中国药物研发领域的顶级机构之一中国科学院药物研究所合作成立了“上海先导药业有限公司”。为了更加快速主动地寻找有可能成为新药的化合物,复旦张江在技术上利用计算化学、组合化学等高效筛选技术建立了不同层次的药物筛选和评价模型,在高性能计算平台上对有可能成为新药的化合物进行筛选和评价,成功建立了新药筛选及评价研发平台。