Nowości

Instytut Maksa Plancka

 
 

Towarzystwo Max Planck Society for the Advancement of Science to niezależna, nienastawiona na zysk organizacja naukowa z główną siedzibą w Niemczech. Podobnie jak większość zespołów badawczych na świecie, Instytut w Göttingen polega na obliczeniach jako ważnym narzędziu służącym do opracowania i analizy rezultatów pracy zespołu. W przypadku profesora Holgera Starka i jego grupy, ich badania nad kriogenicznym mikroskopem elektronowym 3D zostały znacząco przyspieszone dzięki zastosowaniu obliczeń równoległych wykonywanych na procesorach graficznych (GPU) wykorzystujących technologie CUDA i Tesla firmy NVIDIA.

WYZWANIE

Prace profesora Starka zmierzają do lepszego zrozumienia struktury i ruchów w przestrzeni niewielkich nanomolekularnych struktur zwanych makrocząsteczkami. Obecne w każdej żyjącej komórce, te biologiczne „maszyny” odpowiedzialne są za najbardziej podstawowe procesy życiowe, zatem uzyskanie dokładnego obrazu mechanizmów ich działania ma zasadnicze znaczenie. Na przykład, antybiotyki działają poprzez wpływanie na funkcje szczególnego typu makrocząsteczek bakterii, zwanych rybosomami. Zrozumienie szczegółowych zasad działania rybosomów oraz ich funkcji jest wobec tego bardzo istotne przy opracowywaniu skutecznych leków.

Do tworzenia szczegółowych, trójwymiarowych obrazów makrocząsteczek, zespół profesora Starka wykorzystuje mikroskop elektronowy. Chociaż współczesne mikroskopy elektronowe pozwalają na osiągnięcie rozdzielczości większej niż odległości pomiędzy poszczególnymi atomami, badane w ten sposób struktury biologiczne ulegają zniszczeniu przez potężny strumień elektronów. Aby uniknąć zniszczenia struktur biologicznych, zespół ochładza swoje próbki do bardzo niskiej temperatury i następnie wykorzystuje do obserwacji struktury i ruchów makrocząsteczek stosunkowo słabą wiązkę elektronów. Jednak niska rozdzielczość powoduje powstawanie obrazów o znacznym stopniu zaszumienia, wobec czego badacze opracowali specjalne narzędzia do obróbki obrazu 3D, które redukują szumy i szybko porządkują wiele obrazów w celu zwiększenia dokładności.

Wykorzystując klaster CPU składający się z 48 rdzeni, zespół jest w stanie uporządkować 15 000 obrazów w ciągu około siedmiu dni. Przy tej prędkości ich cel uporządkowania miliona obrazów zająłby 1,3 roku na każdą opracowywaną makrocząsteczkę.

ROZWIĄZANIE

W lutym 2008 roku w Instytucie w Göttingen uruchomiono pierwszą na świecie instalację urządzeń NVIDIA® Tesla™, wykorzystujących 200 procesorów graficznych w konfiguracji serwerowej. Wykorzystując język programowania NVIDIA CUDA™ przy uruchamianiu ich algorytmów na rozwiązaniach serwerowych Tesla, naukowcy byli w stanie wykorzystać moc masowo równoległych obliczeń na GPU i wykonać swoje obliczenia w znacznie krótszym czasie.

Obliczeń na GPU i wykonać swoje obliczenia w znacznie krótszym czasie. Przy wspomnianej konfiguracji GPU, dopasowanie miliona obrazów zajmuje 14 godzin – ponad 800 razy szybciej, niż to było możliwe w przypadku klastra CPU. Wobec uzyskania takich rezultatów, Instytut planuje rozbudowę swojej bazy rozwiązań Tesla tak, aby uzyskać czas dziewięciu godzin, co umieści teoretyczną wydajność klastra z Göttingen w gronie najbardziej wydajnych superkomputerów na świecie.

„Technologia procesorów graficznych firmy NVIDIA okazała się dokładnie tym, czego potrzebował nasz zespół”, powiedział profesor Stark, „i pojawiła się w najlepszej chwili. Wpływ, jaki wywiera na naszą pracę, jest fundamentalny – możemy obecnie w kilka godzin przeprowadzić obliczenia, które na poprzednim systemie wykorzystującym CPU, były wykonywane niemożliwie powolnie. Technologia ta pozwala nam przyspieszyć nasze badania i dokonywanie odkryć”.

EFEKT

Nowe dane dotyczące zależności pomiędzy antybiotykami a makrocząsteczkami w bakteriach doprowadzą do opracowania bardziej skutecznych leków i antybiotyków. W dalszej perspektywie mogą przyczynić się do szybszego pokonywania skutków chorób i zabiegów chirurgicznych i pośrednio - także ratowania życia.



 
 
 
 
FacebookTwitterGoogle+Nasza KlasaLinkedIn