中科院院士：借鑒美國超級計算機安騰 探索我國技術(shù)新路徑

　　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(biāo)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(yīng)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(dāng)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(biāo)的、可借鑒的方向?

　　對此，中國科學(xué)院院士、北京航空航天大學(xué)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(xué)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(xué)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。”

　　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(yīng)用水平，擴大應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(wù)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(xué)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(xué)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(dāng)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(xué)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(xué)模擬丨圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

　　超級計算機安騰是如何應(yīng)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(xué)模擬得以實現(xiàn)，這使得它在生命科學(xué)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(xué)(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(dāng)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(xué)算法的軟硬件優(yōu)化，該任務(wù)僅在短短十?dāng)?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(yīng)用于實際應(yīng)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(xué)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(xué)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(yīng)用層面下功夫，鼓勵跨學(xué)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(yīng)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。