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1、超算在生物医药领域的应用卢 宇 彤www.nscc-国家超级计算广州中心 主任 中山大学 数据科学与计算机学院 教授 博导 国防科学技术大学计算机学院 教授 博导 yutong.lunscc-2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会2国家超级计算广州中心NATIONAL SUPERCOMPUTER CENTER IN GUANGZHOU主要内容OUTLINE01超算中心介绍020304目前应用概况未来拓展方向总结2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会31、超算中心介绍 超级计算机对科学发现、技术创新、产业革命的重要作用高性能计算：是科学研究的三大手段之一大数据处理：正成为科学
2、研究的第四范式 世界各国争相角逐超级计算机系统的主导地位2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会41、超算中心介绍 天河二号超级计算机系统国家863计划和核高基重大专项的 标志性成果，2013年6月研制成 功，位列世界超算Top500排行榜 第一位 国家超级计算广州中心广东省、广州市、国防科技大学 、中山大学联合共建2014年4月对外试运行2015年8月20日，经广州市委常 委会审议通过，由中山大学负责 广州超算中心的运行管理2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会CPMTH-2 系统系统FT-1500 #4096IVB #32000Phi #48000APM计算主板计算主板机
3、框机框 (16 x cn)机柜机柜 (8 x 机框机框)大规模混合层次式并行存储系统大规模混合层次式并行存储系统 12.4PB576端口交换机端口交换机032个计算节点个计算节点32个计算节点个计算节点32个计算节点个计算节点32个计算节点个计算节点32个计算节点个计算节点32个计算节点个计算节点32个计算节点个计算节点32个计算节点个计算节点576端口交换机端口交换机iNRMNRMNRMNRMNRMNRMNRMNRM32个计算节点个计算节点32个计算节点个计算节点32个计算节点个计算节点32个计算节点个计算节点NRMNRMNRMNRM576端口交换机端口交换机j576端口交换机端口交换机12
4、32个计算节点个计算节点32个计算节点个计算节点32个计算节点个计算节点32个计算节点个计算节点NRMNRMNRMNRM机柜机柜0机柜机柜62机柜机柜63机柜机柜124SWMSWMSWMSWMSWMSWMSWMSWMBTMBTMBTMBTMBTMBTMBTMBTMTH-Net性能54.9PFlops / 33.86PFlops系统16000结点, 1.4PB内存机柜125+8+13+24=170 (720m2)能耗17.8 MW (1902MFlops/W)制冷密闭水风冷IB存 存 存 存共享 存储共享 存储IO增强 计算结点服务处理 系统商用cpu计算阵列服务 结点登录 结点登录 结点.IP
5、存 存 存 存IO增强 计算结点IO增强 计算结点 IO增强 计算结点管理 结点IO存 存 存 存计算结点商用cpu计算阵列计算结点计算结点计算结点IO服务结点飞腾计算结点自主cpu阵列飞腾计算结点飞腾计算结点飞腾计算结点IO服务结点.加速存储分布式本地化存储ION1、超算中心介绍2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会6 天河二号的创新 异构多态体系结构 自主定制互连网络 层次式加速存储架构 高效自治的软件栈 高密度高精度结构工艺 世界超级计算机Top500排行榜 “六连冠”2013.6至今 世界共轭梯度HPCG排行榜“四连冠”2014.6至今1、超算中心介绍2016 中 华 医 院
6、 信 息 网 络 大 会71、超算中心介绍科学研究平台技术创新平台学科建设平台人才培养平台交流合作平台大科学大工程新产业目标与定位：具有中国特色的世界一流超算中心2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会华南地区（天气尺度）81. 面向学术前沿基础研究大科学重大创新成果2. 面向国家重大发展战略大工程重大应用突破3. 面向地方经济社会发展产业转型升级新动力2、目前应用概况2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会应用分类 高性能计算应用 云计算应用 大数据应用总体情况 用户数量目前已超过1200家 支撑国家级课题超过400项 广东省广州市课题超过80项2、目前应用概况2016 中
7、华 医 院 信 息 网 络 大 会1. 组织器官的模拟 腹主动脉瘤 心脏瓣膜跟血液的相互作用2、目前应用概况超算与生物医药2. 药物研发 使用分子对接技术发现HIV-1蛋白酶抑制剂2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会3. 人类基因组相关研究 基因组装 全基因组重测序及相关 应用 广泛应用于癌症治疗、 产前检查等4. 人工智能医生 病历、影像、文献分析 协助医生提供个性化的 癌症治疗方案2、目前应用概况超算与生物医药2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会主要应用 药物研发 健康医疗 生物信息学 生物分子动力学模拟总体情况 生物医药领域用户数量目前已超过160家 主要集中在药
8、物研发、健康医疗、生物信息学，以及生物分子动 力学相关的模拟上，分别占比16%、27%、26%和14%，其他还 有一些跟微生物、生物与环境相互影响等研究2、目前应用概况超算与生物医药2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会132、典型应用：药物研发基于受体的药物虚拟筛选 使用分子对接技术，针对与埃博拉病毒蛋白VP35的对接 160万CPU和MIC核协同计算 一天完成4000万分子化合物的抗埃博拉病毒药物筛选 国际上目前最快的已知化合物筛选 为应对爆发性恶性传染病的应急药物快速研发提供了强大的计算模拟保障2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会142、典型应用：药物研发基于配体的
9、药物虚拟筛选 中大药学院研发的药物设计平台 提供化学结构数据库查询管理 基于配体的药物虚拟筛选 基于WEGA的药物重定位与靶标探索化学结构查询2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会152、典型应用：健康医疗病理研究 心脏亚细胞钙离子动力学模拟 心肌钙动力学研究对心脏疾病诊疗具有重要科学意义 4096 结点，共 80 万核，实测性能 1.27 Pflops 首个大规模CPU/MIC异构并行心肌钙动力学真实应用左-肌纤维节, 右-钙离子释放单元2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会162、典型应用：健康医疗肿瘤信息学数据分析平台 全基因组重测序 外显子组测序 转录组数据分析 D
10、NA甲基化数据分析以及ChIP-seq数据分析应用 完成500 对大肠癌患者样本（癌组织和对照）的全基因组/外显子组测序和分析2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会172、典型应用：健康医疗生物医药文献挖掘 生物医学文献库PubMed包含超过两千万篇文献摘要及超过百万篇的全文 使用MEDLINE摘要和PMC Open Access 全文进行并行挖掘 构建“肿瘤-基因-药物”关系数据其他相关应用 使用心电大数据研究心脏性猝死早期预警 基于大数据的临床抗菌药物合理使用2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会182、典型应用：生物信息学基因组学分析 全基因组重测序，外显子，SNP
11、宏基因组分析 全基因组DNA甲基化测序人类全基因组重测序 2000人基因组 30X深度测序 8小时完成原来8个月的工作量2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会192、典型应用：生物信息学基因调控网络 通过贝叶斯法构造高等植物（鼠耳芥）的全基因组调控网络 全基因组调控网络有助于从基因组尺度理解基因调控作用 8192 结点、160 万核，2.2亿单元规模的科学应用运行3小时蛋白组学研究 质谱，代谢组 翻译后修饰2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会202、典型应用：生物信息学Galaxy生物信息分析平台 基于WEB的开放性生物信息分析平 台。 支持多种数据上传方式 支持多款生物
12、信息分析相关的工具 支持工作流的创建、历史记录功能 支持用户管理功能 支持数据的可视化支持数据共享功 能 支持自定义工具的添加2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会212、典型应用：生物大分子研究分子动力学及第一性原理计算 离子液体溶解真实纤维素的分子动力学模拟 问题规模：320000+ atoms Gromacs 5.0.4单精度 22ns/day Gromacs 5.0.4双精度 12ns/day 得到了初步的溶解过程，探索了阴阳离子的作用机制模拟的纤维素初始及结束构象2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会222、典型应用：生物大分子研究分子动力学及第一性原理计算 HI
13、V与硫酸茚地那韦相互作用机制 Hartree-Fock自洽场迭代（SCF） 模拟2938原子，基函数阶数27394 使用8100结点 ，共156 万核，并行效率达70%生物大分子结构 核糖体结构的建模和动态结构模拟2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会232、典型应用：组织器官模拟兔子心脏电传播模拟 模拟了在心脏底部进行电激励后，心脏内部的电传播情况2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会242、典型应用：三维重构神经内部结构三维重建 天河二号上重建后的神经三维立体图像 无论神经大体结构还是精细结构，均清晰可见2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会3、未来应用拓展方
14、向：精准医疗精准医疗 将个人基因、环境与生活习惯差异考虑在内的疾病预防与处置的新兴方法。 在美、英等多国获得国家层面的支持 中国也开始了精准医疗部署2015.2. 国家 成立中国精 准医疗战略 专家组2015.3. 科 技部召开国 家首次精准 医学战略专 家会议2016 列入 国家重点 研发计划2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会3、未来应用拓展方向：精准医疗精准医疗技术背景 基因测序技术的飞速发展 大数据存储、分析技术的广泛使用 生物医学数据分析技术 基因组 蛋白质组 医学前沿技术基因测序技术、基因测序技术、医疗数据电子化医疗数据电子化大数据存大数据存 储储、分析 的软硬件 技术
15、生物医学数生物医学数 据分析技术据分析技术2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会3、未来应用拓展方向：精准医疗精准医疗的短期目标：癌症治疗 针对不同人群的靶向抗肿瘤药物的试验 研究多种药物的联合疗法的有效性 研究抗药性产生的原因和克服方法2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会建立百万人级别的数据库基因数据生物样本电子健康记录生活饮食信息3、未来应用拓展方向：精准医疗精准医疗的长期目标：健康管理基于这些数据开展研究药物基因组学，用合适的药物、合适的剂量治疗病人设定新的治疗和预防疾病目标测试移动设备以鼓励健康行为寻找更多疾病的科学基础2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会294、总结人药病2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会304、总结高性能计算与大数据处理融合发展趋势 大力支持生物医药大数据 构建支撑精准医疗的基础设施和服务平台人药病2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会31谢谢开放、合作、创新、发展2016 中 华 医 院 信 息 网 络 大 会
