加州大学圣地亚哥分校领导的研究赢得了戈登·贝尔特别奖
计算化学家Rommie Amaro和她的研究团队赢得了与COVID-19相关的超级计算领域最令人垂涎的奖项之一
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- 雷切尔·麦克道尔
- 辛西娅·狄龙
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今年,计算机协会(ACM)颁发了一个特殊版本的戈登·贝尔奖,这是为在高性能计算领域取得杰出成就而颁发的最负盛名的奖项之一。为了表彰COVID-19的研究工作Gordon Bell基于高性能计算的COVID-19研究特别奖在11月19日SC20虚拟会议。加州大学圣地亚哥分校计算化学家和生物物理学家Rommie Amaro的团队,包括Amaro实验室,阿贡国家实验室(退火)和橡树岭国家实验室,赢了。
由ANL的计算生物学家Amaro和Arvind Ramanathan领导的团队一直在探索SARS-CoV-2的刺突蛋白的运动,以了解它如何表现并进入人类细胞。现在,在一项史无前例的壮举中,该团队已经建立了一个基于人工智能(AI)的工作流程,以更有效地模拟峰值,并且他们已经将工作流程扩展到峰会通过超级计算机来更深入地了解峰值的机制,并加速寻找可能有效缓解病毒的治疗方法或疫苗。
“实验图片让我们对这些东西的样子有了一个概念,但它们不能告诉我们整个故事,”阿马洛说。“我们能做到这一点的唯一方法是通过模拟,现在我们正在将分子模拟的能力推到地球上现有计算机架构的极限。这已经是人类所能做到的极限了。”
该团队首先优化了纳米分子动力学(NAMD)和视觉分子动力学(VMD)代码,它们模拟了原子在时间和空间中的运动,在多个较小的集群系统上:德克萨斯高级计算中心的Frontera超级计算机,美国宇航局的Comet系统圣地亚哥超级计算机中心的ThetaGPU超级计算机阿贡领导计算设施(ALCF)。这些优化为他们在OLCF峰会上运行全尺寸模拟做好了准备。OLCF和ALCF是美国能源部(DOE)科学办公室用户设施分别位于美国能源部的橡树岭和阿贡国家实验室。
经过代码优化后,该团队成功地将NAMD扩展到24,576个Summit的NVIDIA V100 gpu。该团队在Summit上的初步研究结果发现了病毒用来逃避检测的一种机制,以及病毒在人类细胞中利用的刺突蛋白和蛋白质之间相互作用的特征——ACE2受体。
阿马洛说:“这是我们可以从中学习并推动科学发现的第一批病毒生物系统之一。”“我们的计算方法使我们能够真正了解这种病毒的详细复杂性,这不仅有助于从疫苗开发的角度了解它的行为方式,还有助于从药物靶向的角度了解它的脆弱性。”
由于一组计算产生了高达200tb的数据,该团队使用人工智能从模拟中识别出内在特征,并分解信息以帮助他们解释正在发生的事情。通过将实验数据和模拟数据分层,并将其与基于人工智能的方法相结合,研究人员能够以前所未有的细节捕捉到病毒及其机制。该团队还将NAMD代码集成到他们的工作流管道中,以完全自动化从模拟到人工智能的数据处理过渡,没有间隙。
拉马纳坦说:“我们从未想过我们可以在如此大规模的范围内使用机器学习工具。”“在Summit上使用这些基于人工智能的方法,有助于加速真正理解这些复杂系统运动的过程。”
这项研究得到了百亿亿次计算项目的支持;由《冠状病毒关怀法案》提供资金的能源部国家虚拟生物技术实验室;以及COVID-19 HPC联盟。
相关的出版物:Lorenzo Casalino, Abigail Dommer, Zied Gaieb, Emilia P. Barros, Terra Sztain, Surl-Hee Ahn, Anda Trifan, Alexander Brace, Anthony Bogetti, Heng Ma, Hyungro Lee, Matteo Turilli, Syma Khalid, Lillian Chong, Carlos Simmerling, David J. Hardy, Julio d.c. Maia, James C. Phillips, Thorsten Kurth, Abraham Stern, Lei Huang, John McCalpin, Mahidhar Tatineni, Tom Gibbs, John E. Stone, Shantenu Jha, Arvind Ramanathan和Rommie E. Amaro。“人工智能驱动的多尺度模拟阐明了SARS-CoV-2 Spike Dynamics的机制。”在SC20,虚拟事件,2020年11月16日至19日。
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