美國(guó)安騰Anton，全球最強(qiáng)生物計(jì)算專用超級(jí)計(jì)算機(jī)的前世今生

　　近日，瑞士創(chuàng)新企業(yè)FinalSpark公司發(fā)布了全球首款生物處理器，這一突破性技術(shù)利用人腦類器官中的生物神經(jīng)元進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其功耗比傳統(tǒng)數(shù)字處理器低一百萬(wàn)倍，引發(fā)了業(yè)界對(duì)“生物計(jì)算機(jī)”的廣泛關(guān)注。這里的“生物計(jì)算機(jī)”其實(shí)指的是利用人類神經(jīng)元進(jìn)行計(jì)算的新一代生物處理器，但是過(guò)去談及“生物計(jì)算”，人們更多指的是通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)提供加速、以生物大分子作為數(shù)據(jù)和研究對(duì)象的一個(gè)研究領(lǐng)域，至今已經(jīng)發(fā)展了幾十年。今天我們要介紹的主角，就是十幾年來(lái)在全球生物計(jì)算領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位、默默書(shū)寫(xiě)著王者傳奇的專用超級(jí)計(jì)算機(jī)安騰Anton。

　　超級(jí)計(jì)算機(jī)安騰Anton于2007年由美國(guó)D.E. Shaw Research機(jī)構(gòu)推出，專注于生物計(jì)算領(lǐng)域的分子動(dòng)力學(xué)模擬加速。由于超算安騰的“目標(biāo)專注”，它在執(zhí)行分子動(dòng)力學(xué)模擬任務(wù)時(shí)甚至比通用超算Top500榜首的最強(qiáng)超算前沿 Frontier還要高出50倍以上。憑借其在高性能計(jì)算領(lǐng)域的出色表現(xiàn)，安騰超級(jí)計(jì)算機(jī)曾兩度榮膺高性能計(jì)算領(lǐng)域的最高榮譽(yù)——“ACM戈登貝爾獎(jiǎng)”。

　　安騰超級(jí)計(jì)算機(jī) 圖片來(lái)源： David E Shaw研究所

　　為什么超算安騰可以做到如此驚人的計(jì)算效率?

　　中國(guó)科學(xué)院院士、北京航空航天大學(xué)教授錢(qián)德沛在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)就曾談到，“美國(guó)D. E. Shaw研究所就用專門(mén)設(shè)計(jì)的ASIC芯片搭建了分子動(dòng)力學(xué)模擬專用計(jì)算機(jī)(Anton)，通過(guò)算法創(chuàng)新和軟硬件協(xié)同，在分子動(dòng)力學(xué)模擬中獲得了比通用計(jì)算機(jī)高出百倍的計(jì)算能效，這是非常值得我們借鑒的。

　　超算安騰的前世今生：出身名門(mén)，專注分子動(dòng)力學(xué)加速，為推動(dòng)生物計(jì)算而生

　　安騰超級(jí)計(jì)算機(jī)(Anton)的發(fā)明者，大衛(wèi)·E. 肖(David E. Shaw)，是美國(guó)量化投資領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，曾任奧巴馬政府科技顧問(wèn)，同時(shí)也是亞馬遜創(chuàng)始人貝索斯的昔日上司。《福布斯》雜志贊譽(yù)他為“量化投資之王”，其個(gè)人資產(chǎn)約為41億美元，位居全球財(cái)富榜300名。

　　David E Shaw博士 圖片來(lái)源： 網(wǎng)絡(luò)

　　在臨近五十知命之際，這位金融巨擘果斷轉(zhuǎn)型投身于生物計(jì)算。因?yàn)楫?dāng)時(shí)David E. Shaw深刻認(rèn)識(shí)到，相較于金融，生物計(jì)算對(duì)社會(huì)的影響更為深遠(yuǎn)，更契合個(gè)人價(jià)值追求。他從朋友那里了解到，分子動(dòng)力學(xué)模擬(molecular dynamics)能顯著加速?gòu)姆肿铀�平理解生命過(guò)程(biological processes)，不僅推動(dòng)基礎(chǔ)科學(xué)研究，還能加速諸如癌癥等重大疾病的藥物研發(fā)。

　　然而長(zhǎng)久以來(lái)，分子動(dòng)力學(xué)模擬因計(jì)算效率低下的問(wèn)題，難以在業(yè)務(wù)場(chǎng)景中應(yīng)用。舉例來(lái)說(shuō)，人體內(nèi)典型的大分子蛋白質(zhì)往往由幾十萬(wàn)到上百萬(wàn)個(gè)原子構(gòu)成，假設(shè)用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法計(jì)算模擬一個(gè)有著50萬(wàn)原子的蛋白質(zhì)的0.001秒的瞬間動(dòng)態(tài)，即使動(dòng)用10000顆CPU并行計(jì)算，也需要耗費(fèi)超過(guò)100年的時(shí)間。

　　為突破這一技術(shù)難題，David E. Shaw利用他在金融市場(chǎng)積累的財(cái)富，首先組建了一支由全球最頂尖博士組成的精英隊(duì)伍。在當(dāng)年，他給每位博士開(kāi)出的年薪高達(dá)10萬(wàn)美元，這幾乎是常規(guī)科研崗位薪資的2-3倍。

　　David E. Shaw與團(tuán)隊(duì)的策略，是借助超算來(lái)解決計(jì)算效率低下的問(wèn)題。

　　為什么選擇用超算來(lái)破局?這是因?yàn)槌�算具有極高的計(jì)算速度和處理能力，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)處理龐大的數(shù)據(jù)和復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，一直用來(lái)解決解決復(fù)雜的科學(xué)、工程和商業(yè)問(wèn)題。

　　而Shaw博士和他團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新之舉是，他們認(rèn)為術(shù)業(yè)應(yīng)有專攻，區(qū)別于通用超算的廣泛應(yīng)用場(chǎng)景，他們專門(mén)設(shè)計(jì)出了一款能夠?qū)ｉT(mén)應(yīng)用在生物計(jì)算場(chǎng)景，專注于分子動(dòng)力學(xué)模擬加速的超級(jí)計(jì)算機(jī)——這便是安騰誕生的故事。

　　為了實(shí)現(xiàn)專用這一目標(biāo)，在硬件上，超算安騰的芯片、主板、布線都由D. E. Shaw研究所特殊設(shè)計(jì)。通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的專用芯片，可以盡可能減少數(shù)據(jù)的傳輸和運(yùn)算，在芯片上分區(qū)域、分精度計(jì)算不同任務(wù)，突破制約分子模擬速度的瓶頸——原子間相互作用力的計(jì)算。與硬件相匹配的是軟件，D. E. Shaw研究所也專門(mén)設(shè)計(jì)了適配安騰的動(dòng)力學(xué)模擬軟件Desmond。

　　于是，在2007年，這一群技術(shù)天才們終于研發(fā)成功，這臺(tái)專用超級(jí)計(jì)算機(jī)正式問(wèn)世，并命名為安騰(Anton)。

　　安騰之名，取自“顯微鏡之父”安東·范·列文虎克(Anton van Leeuwenhoek)，因?yàn)樗�制作了高精度光學(xué)儀器，并首次利用這些儀器觀察到各種各樣的生物體和細(xì)胞類型，開(kāi)啟了對(duì)微觀世界探索的新紀(jì)元。超算安騰，正是對(duì)這份探索精神的傳承與超越，于計(jì)算領(lǐng)域中續(xù)寫(xiě)探索微觀世界的新篇章。

　　超算安騰極大提升藥物研發(fā)效率  技術(shù)價(jià)值被資本市場(chǎng)高度認(rèn)可

　　在超算安騰問(wèn)世后，它的技術(shù)價(jià)值真正被廣泛知曉，就是在2016年它幫助美國(guó)AI制藥公司Relay Therapeutics成功研發(fā)了一款治療膽管癌的藥物，一舉打破了藥物研發(fā)領(lǐng)域的“雙十”魔咒，即研發(fā)一款新藥的投入至少需要十年、十億美金以上。

　　2016年，Relay在超算安騰的支持下，對(duì)藥物靶點(diǎn)和成藥小分子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬和篩選設(shè)計(jì)，僅用18個(gè)月、不到1億美金就確認(rèn)了一款用于治療膽管癌的高選擇性FGFR2抑制劑藥物RLY-4008的結(jié)構(gòu)，并且順利進(jìn)入了美國(guó)FDA的臨床II期試驗(yàn)，極大程度地縮短了從藥物發(fā)現(xiàn)到臨床前研究近90%的投入時(shí)間和成本。

　　為何超算安騰可以將藥物研發(fā)效率提升如此之高?

　　首先，Relay重塑了藥物研發(fā)的技術(shù)路徑，將行業(yè)內(nèi)對(duì)于蛋白質(zhì)靶點(diǎn)的理解從過(guò)去的靜態(tài)視圖轉(zhuǎn)變?yōu)榛�于蛋白質(zhì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)視圖，從傳統(tǒng)的基于蛋白質(zhì)靜態(tài)的藥物設(shè)計(jì)(Structure-based  Drug  Design，SBDD)轉(zhuǎn)向基于蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)的藥物設(shè)計(jì)(Motion Based Drug Design(TM)，MBDD)。

　　圖片來(lái)源：Relay官方

　　同時(shí)，Relay開(kāi)創(chuàng)性地構(gòu)建了基于運(yùn)動(dòng)的藥物設(shè)計(jì)平臺(tái)——Dynamo Platform，該平臺(tái)集成了8種實(shí)驗(yàn)技術(shù)(例如室溫晶體學(xué)等)和8種計(jì)算方法(例如分子動(dòng)力學(xué)模擬等)，用于落地Relay提出的MBDD藥物研發(fā)路徑。

　　在完成整個(gè)MBDD的過(guò)程中，Dynamo平臺(tái)的底層都是通過(guò)超算安騰來(lái)支撐進(jìn)行模擬計(jì)算。

　　除了確認(rèn)RLY-4008結(jié)構(gòu)的案例外，Relay還曾試圖研究野生型和突變型蛋白質(zhì)，并使用如室溫X射線和冷凍電鏡，然后再用超算安騰來(lái)模擬蛋白質(zhì)隨時(shí)間變化的影像。與其他藥物研發(fā)公司相比，Relay宣稱其模擬速度比他們快上100倍。 對(duì)于一個(gè)有100萬(wàn)個(gè)原子基準(zhǔn)蛋白的衛(wèi)星煙草花葉病毒，在傳統(tǒng)硬件上(Nvidia V100)需要271天才能完成，而在超算安騰上只需要一天。

　　資本市場(chǎng)對(duì)Relay Therapeutics的高認(rèn)可度，也間接證明了超算安騰的技術(shù)價(jià)值。

　　Black Diamond與Relay Therapeutics同為專注于藥物小分子研發(fā)的平臺(tái)，并且兩者均僅有一個(gè)藥物進(jìn)入臨床一期候選階段，但在首次公開(kāi)募股(IPO)當(dāng)天，兩者市場(chǎng)估值呈現(xiàn)出明顯差異。Black Diamond當(dāng)天市值12.24億美元，而Relay Therapeutics當(dāng)天市值是Black Diamond的兩倍多，為30.45億美元。

　　Relay Therapeutics之所以能贏得資本市場(chǎng)的如此青睞，是因?yàn)樗�與David E. Shaw研究所的簽署了獨(dú)家戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，協(xié)議約定，雙方將合力進(jìn)行特定靶點(diǎn)化合物的研發(fā)與商業(yè)化。雙方科學(xué)家需要在每一個(gè)項(xiàng)目上合作，充分利用David E. Shaw研究所的計(jì)算建模技術(shù)，尤其是通過(guò)安騰超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)研究蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)行為，特別聚焦在藥物發(fā)現(xiàn)階段提出動(dòng)態(tài)基礎(chǔ)假設(shè)和識(shí)別先導(dǎo)化合物。

　　可見(jiàn)，超算安騰不僅是生物計(jì)算領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性創(chuàng)新，更是推動(dòng)藥物研發(fā)進(jìn)入新時(shí)代的強(qiáng)力引擎。安騰超級(jí)計(jì)算機(jī)不僅代表了計(jì)算技術(shù)向?qū)�業(yè)化的深度探索，預(yù)示著生物科學(xué)與計(jì)算科學(xué)交叉融合的無(wú)限可能，也證明了專注于細(xì)分領(lǐng)域的深度技術(shù)創(chuàng)新能夠帶來(lái)顛覆性的改變。未來(lái)，類似超算安騰這樣尖端科技將在加快疾病治療進(jìn)程、推動(dòng)精準(zhǔn)醫(yī)療實(shí)踐方面扮演愈發(fā)重要的角色，持續(xù)鼓舞著科研工作者與企業(yè)勇闖科研無(wú)人區(qū)，不懈追求創(chuàng)新突破。