超級計算機作為尖端科技的核心載體與創(chuàng)新源泉，其發(fā)展水平已成為衡量一國科技硬實力、決定國際戰(zhàn)略地位的關(guān)鍵指標之一。我國雖在超算領(lǐng)域取得顯著成就，但在核心技術(shù)研發(fā)、應用場景構(gòu)建等方面仍與發(fā)達國家存在一定差距。因此，我國需結(jié)合國情，探尋一條融合自主創(chuàng)新的中國特色超算發(fā)展道路，以提升在當下國際競爭格局下的科技競爭力。
我國超算發(fā)展道路怎么走？ 是否有對標的、可借鑒的方向？
對此，中國科學院院士、北京航空航天大學教授錢德沛早前在接受媒體采訪時曾談到，“美國D. E. Shaw研究所就用專門設(shè)計的ASIC芯片搭建了分子動力學模擬專用計算機安騰（Anton），通過算法創(chuàng)新和軟硬件協(xié)同，在分子動力學模擬中獲得了比通用計算機高出百倍的計算能效，這是非常值得我們借鑒的?！?/p>
安騰超級計算機丨圖片來源：網(wǎng)絡(luò)
錢院士還談到，“我們要真正把機器用好，提高高性能計算的應用水平，擴大應用領(lǐng)域。很多人也許覺得高性能計算離我們很遠，可能只有少數(shù)領(lǐng)域能夠用得上，但實際上，近幾年隨著高性能計算技術(shù)的快速發(fā)展，與傳統(tǒng)行業(yè)不斷地滲透和融合，高性能計算已經(jīng)進入了一個全新的時代。因此，我認為要不斷擴大應用領(lǐng)域。”
可見，錢院士認為，以超算安騰為例，做專用超級計算機并且應用到傳統(tǒng)行業(yè)，是一條可行的發(fā)展道路。
超級計算機安騰是什么？其技術(shù)架構(gòu)是怎樣的？在分子動力學模擬中，它是如何做到比通用計算機高出百倍的計算能效的？
安騰超級計算機（Anton）是美國D. E. Shaw研究所（D. E. Shaw Research, DESRES）投入巨資打造的一款專為加快分子動力學模擬運算的專用超級計算機，于2007年首次發(fā)布。
安騰超級計算機丨圖片來源：網(wǎng)絡(luò)
為了顯著提升分子動力學模擬的運算效率，在技術(shù)架構(gòu)層面，安騰超級計算機采用了大量的專用集成電路（ASIC）作為其核心組件，并通過一個精心設(shè)計的高速三維環(huán)形網(wǎng)絡(luò)將這些ASIC緊密互聯(lián)。與通用超級計算機單一化的設(shè)計思路不同，超算安騰的架構(gòu)專為細粒度事件驅(qū)動而設(shè)計運算，通過巧妙增強計算與通信過程的并行性和重疊性，顯著提升了整體性能。此外，這種架構(gòu)還賦予了系統(tǒng)廣泛支持分子動力學相關(guān)算法高效運行的能力，為實現(xiàn)一系列基于軟件的創(chuàng)新優(yōu)化提供了堅實基礎(chǔ)。
在硬件方面，安騰超級計算機（Anton）在芯片、主板及布線結(jié)構(gòu)等硬件層面都進行了特色設(shè)計。例如，其通過特殊設(shè)計的專用芯片，以最大限度地減少數(shù)據(jù)傳輸與計算過程中的耗時，巧妙地按任務性質(zhì)與精度劃分區(qū)域進行計算，攻克了長期以來阻礙模擬速度提升的原子間相互作用力的計算難題。在軟件方面，D. E. Shaw研究所為安騰超級計算機研發(fā)了與硬件配套的分子動力學模擬軟件Desmond，以確保硬件效能得到充分釋放。
得益于軟硬件的協(xié)同創(chuàng)新，安騰超級計算機在處理分子動力學問題時展現(xiàn)出驚人的計算效率，其性能較傳統(tǒng)超算提升100至10000倍，甚至超越當前全球最強超算Frontier達50倍以上。安騰超級計算機對分子動力學模擬產(chǎn)生了顛覆性影響：它將模擬時間尺度從微秒大幅提升至毫秒級別，成功模擬了眾多此前遙不可及的生物物理現(xiàn)象，如蛋白質(zhì)折疊過程、抗體親和力成熟過程中的構(gòu)象變化等。這一卓越表現(xiàn)使超算安騰兩度榮膺高性能計算領(lǐng)域的“諾貝爾獎”——Gordon Bell獎。
分子動力學模擬丨圖片來源：網(wǎng)絡(luò)
超級計算機安騰是如何應用到傳統(tǒng)行業(yè)的？
通過設(shè)計與集成專用的ASIC芯片，以及專為生物計算優(yōu)化的架構(gòu)與軟件系統(tǒng)，安騰超級計算機使得大規(guī)模、高精度的分子動力學模擬得以實現(xiàn)，這使得它在生命科學研究與藥物研發(fā)領(lǐng)域發(fā)揮出世界范圍內(nèi)獨一無二的性能能力。這一能力不僅拓展了對蛋白質(zhì)世界的認識，還為疾病機制解析、藥物靶點發(fā)現(xiàn)及藥物設(shè)計提供了強大的計算支持，從而加速科研進程，提高藥物創(chuàng)新成功率。
例如，鑒于3CL蛋白酶在病毒增殖與組裝過程中扮演了核心角色，并且是新冠藥物開發(fā)的熱門靶點之一，2020年3月27日，D. E. Shaw研究所公開了一項關(guān)于新冠病毒3CL蛋白酶的重要研究成果——完成了對該蛋白酶長達100微秒的分子動力學（MD）模擬動畫及數(shù)據(jù)發(fā)布，這一突破性模擬為科研人員揭示新冠病毒生命周期的內(nèi)在機制以及設(shè)計針對性的3CL蛋白酶抑制劑提供了極其寶貴的理論依據(jù)。通常情況下，如果利用當今全球頂尖的超級計算機集群，完成同等規(guī)模的模擬仍需耗時數(shù)年之久；然而，得益于超算安騰針對分子動力學算法的軟硬件優(yōu)化，該任務僅在短短十數(shù)日內(nèi)便高效完成。此后兩年內(nèi)，D. E. Shaw研究所持續(xù)發(fā)力，進一步發(fā)布了累計超過1000微秒的新冠病毒MD模擬成果，這些成果對新冠病毒的病理研究及推動相關(guān)藥物研發(fā)產(chǎn)生了深遠影響。
還例如，美國AI制藥企業(yè)Relay Therapeutics在超算安騰強大計算能力的支持下，僅耗時1年半、投入1億美元，就成功確定了高選擇性FGFR2抑制劑RLY-4008的分子結(jié)構(gòu)。目前，該藥物正順利推進至美國FDA臨床二期階段，極有可能躋身史上從研發(fā)到上市速度最快的創(chuàng)新藥物之列。Relay在RLY-4008項目及若干其他管線中所展現(xiàn)的顯著臨床前研發(fā)效率，一舉打破了業(yè)界長期存在的“雙十定律”，即一款創(chuàng)新藥的研發(fā)歷程普遍需歷經(jīng)十年以上并耗費逾十億美元。
從安騰超級計算機的成功實踐中，我們可以看到一種全新的超算技術(shù)發(fā)展模式：即聚焦特定領(lǐng)域進行深度定制化設(shè)計，并積極融入行業(yè)生態(tài)，確保尖端技術(shù)能夠應用于實際應用場景，從而發(fā)揮其最大價值。
另一方面，我們必須清醒認識到，中國超算研究機構(gòu)已于2015年2月首次被美國列入實體清單，面臨嚴格的技術(shù)封鎖。目前，全球僅有的安騰超級計算機設(shè)備分別部署于美國匹茲堡超算中心及紐約市的D. E. Shaw研究所內(nèi)。這些稀缺資源的使用權(quán)限嚴格受限，僅根據(jù)提交給美國國家科學院獨立專家委員會的科研提案進行分配，并明確規(guī)定僅對美國學術(shù)機構(gòu)開放，明確禁止包括中國在內(nèi)的其他國家進行使用。
我們需要加緊對中國超算發(fā)展之路的探索與實踐，尤其是在面對國際技術(shù)封鎖的嚴峻形勢下，如何借鑒安騰超級計算機的成功經(jīng)驗，構(gòu)建具有中國特色的超算生態(tài)系統(tǒng)，顯得尤為重要。這不僅要求我們在硬件設(shè)計上敢于創(chuàng)新，針對特定領(lǐng)域需求研發(fā)專用芯片與架構(gòu)，實現(xiàn)高效能計算；更要在軟件生態(tài)與行業(yè)應用層面下功夫，鼓勵跨學科合作，推動定制化軟件開發(fā)，確保超算技術(shù)與各行業(yè)實際需求緊密結(jié)合，真正賦能經(jīng)濟社會發(fā)展。同時，加強自主可控技術(shù)的研發(fā)與人才培養(yǎng)，構(gòu)建安全可靠的超算產(chǎn)業(yè)鏈，以應對國際環(huán)境變化帶來的挑戰(zhàn)，確保我國超算事業(yè)在國際競爭中保持領(lǐng)先地位。
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