1、超算在生物医药领域的应用超算在生物医药领域的应用-0102超算中心介绍超算中心介绍目前应用概况目前应用概况OUTLINE主主 要要 内内 容容0304未来拓展方向未来拓展方向总结总结国家超级计算广州中心国家超级计算广州中心NATIONAL SUPERCOMPUTER CENTER INGUANGZHOU21、超算中心介绍、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：正成为科学研究的第四范式大数据处理：正成为科学研究的第四范式 世界各国争相
2、角逐超级计算机系统的主导地位世界各国争相角逐超级计算机系统的主导地位31、超算中心介绍、超算中心介绍 天河二号超级计算机系统天河二号超级计算机系统 国家国家863计划和核高基重大专项的计划和核高基重大专项的标志性成果，标志性成果，2013年年6月研制成月研制成功，位列世界超算功，位列世界超算Top500排行榜排行榜第一位第一位 国家超级计算广州中心国家超级计算广州中心 广东省、广州市、国防科技大学广东省、广州市、国防科技大学、中山大学联合共建、中山大学联合共建 2014年年4月对外试运行月对外试运行 2015年年8月月20日，经广州市委常日，经广州市委常委会审议通过，由中山大学负责委会审议通过
3、，由中山大学负责广州超算中心的运行管理广州超算中心的运行管理41、超算中心介绍、超算中心介绍54.9PFlops / 33.86PFlops性能系统机柜16000结点, 1.4PB内存125+8+13+24=170 (720m2)17.8 MW (1902MFlops/W)能耗制冷密闭水风冷柜8 x 机框机 柜 63机 柜 12432个 计 算 节 点32个 计 算 节 点32个 计 算 节 点32个 计 算 节 点32个 计 算 节 点32个 计 算 节 点32个 计 算 节 点32个 计 算 节 点N RMN RMN RMN RMN RMN RMN RMN RMTH-Net576端 口 交
4、 换 机 0576端 口 交 换 机 i576端 口 交 换 机 j576端 口 交 换 机 12BTMBTMBTMBTMBTMBTMBTMBTMAPMN RMN RMN RMN RMN RMN RMN RMN RM(16 x cn)32个 计 算 节 点32个 计 算 节 点机 柜 032个 计 算 节 点32个 计 算 节 点32个 计 算 节 点32个 计 算 节 点32个 计 算 节 点32个 计 算 节 点机 柜 62算主板服务处理自 主 cpu阵 列商 用 cpu计 算 阵 列商 用 cpu计 算 阵 列系统服 务IO增 强飞 腾 计 算 结 点飞 腾 计 算 结 点.计 算 结
5、点计 算 结 点.分计 算 结 点IO增 强布结 点登 录计 算 结 点.式本地ION结 点储化Phi#48000IO增 强.登 录飞 腾 计 算 结 点飞 腾 计 算 结 点计 算 结 点计 算 结 点计 算 结 点存结 点计 算 结 点管 理IO服 务 结 点IO存 存 存 存IO服 务 结 点结 点加速存储IVB#32000CPMIP存 存 存 存IB存 存 存 存FT-1500#4096共 共 存 享享储存 储大规模混合层次式并行存储系统12.4PB1、超算中心介绍、超算中心介绍 天河二号的创新天河二号的创新 异构多态体系结构异构多态体系结构 自主定制互连网络自主定制互连网络 层次式加
6、速存储架构层次式加速存储架构 高效自治的软件栈高效自治的软件栈 高密度高精度结构工艺高密度高精度结构工艺 世界超级计算机世界超级计算机Top500排行榜排行榜 “六连冠六连冠”2013.6至今至今 世界共轭梯度世界共轭梯度HPCG排行榜排行榜“四连冠四连冠”2014.6至今至今61、超算中心介绍、超算中心介绍目标与定位：具有中国特色的世界一流超算中心目标与定位：具有中国特色的世界一流超算中心新产业新产业大科学大科学大工程大工程科学研究平台技术创新平台交流合作平台学科建设平台人才培养平台72、目前应用概况、目前应用概况1. 面向学术前沿基础研究面向学术前沿基础研究 大科学重大创新成果2. 面向国
7、家重大发展战略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面向地方经济社会发展 产业转型升级新动力华南地区（天气尺度）82、目前应用概况、目前应用概况应用分类应用分类 高性能计算应用高性能计算应用 云计算应用云计算应用 大数据应用大数据应用总体情况总体情况 用户数量目前已超过用户数量目前已超过1200家家 支撑国家级课题超过支撑国家级课题超过400项项 广东省广州市课题超过广东省广州市课题超过80项项2、目前应用概况、目前应用概况超算与生物医药超算与生物医药1. 组织器官的模拟组织器官的模拟 腹主动脉瘤腹主动脉瘤 心脏瓣膜跟血液的相互作用心脏瓣膜跟血液的相互作用2. 药物
8、研发药物研发 使用分子对接技术发现使用分子对接技术发现HIV-1蛋白酶抑制剂蛋白酶抑制剂2、目前应用概况、目前应用概况超算与生物医药超算与生物医药4. 人工智能医生人工智能医生3. 人类基因组相关研究人类基因组相关研究 基因组装病历、影像、文献分析 全基因组重测序及相关协助医生提供个性化的癌症治疗方案应用 广泛应用于癌症治疗、产前检查等2、目前应用概况、目前应用概况超算与生物医药超算与生物医药主要应用主要应用 药物研发药物研发 健康医疗健康医疗 生物信息学生物信息学 生物分子动力学模拟生物分子动力学模拟总体情况总体情况 生物医药领域用户数量目前已超过生物医药领域用户数量目前已超过160家家 主
9、要集中在药物研发、健康医疗、生物信息学，以及生物分子动主要集中在药物研发、健康医疗、生物信息学，以及生物分子动力学相关的模拟上，分别占比力学相关的模拟上，分别占比16%、27%、26%和和14%，其他还，其他还有一些跟微生物、生物与环境相互影响等研究有一些跟微生物、生物与环境相互影响等研究2、典型应用：药物研发、典型应用：药物研发基于受体的药物虚拟筛选基于受体的药物虚拟筛选 使用分子对接技术，针对与埃博使用分子对接技术，针对与埃博拉病毒蛋白拉病毒蛋白VP35的对接的对接 160万万CPU和和MIC核协同计算核协同计算 一天完成一天完成4000万分子化合物的抗万分子化合物的抗埃博拉病毒药物筛选埃
10、博拉病毒药物筛选 国际上目前最快的已知化合物筛国际上目前最快的已知化合物筛选选 为应对爆发性恶性传染病的应急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药物快速研发提供了强大的计算模拟保障模拟保障132、典型应用：药物研发、典型应用：药物研发基于配体的药物虚拟筛选基于配体的药物虚拟筛选 中大药学院研发的药物设计平台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配体的药物虚拟筛选 基于基于WEGA的药物重定位与靶标探索的药物重定位与靶标探索化学结构查询142、典型应用：健康医疗、典型应用：健康医疗病理研究病理研究 心脏亚
11、细胞钙离子动力学模拟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心肌钙动力学研究对心脏疾病诊疗具有重要科学意义诊疗具有重要科学意义左-肌纤维节, 右-钙离子释放单元 4096 结点，共结点，共 80 万核，实测万核，实测性能性能 1.27 Pflops 首个大规模首个大规模CPU/MIC异构并行异构并行心肌钙动力学真实应用心肌钙动力学真实应用152、典型应用：健康医疗、典型应用：健康医疗肿瘤信息学数据分析平台肿瘤信息学数据分析平台 全基因组重测序全基因组重测序 外显子组测序外显子组测序 转录组数据分析转录组数据分析 DNA甲基化数据分析以及甲基化数据分析以及ChIP-seq数数据分析
12、据分析应用应用 完成完成500 对大肠癌患者样本（癌组织对大肠癌患者样本（癌组织和对照）的全基因组和对照）的全基因组/外显子组测序和外显子组测序和分析分析2、典型应用：健康医疗、典型应用：健康医疗生物医药文献挖掘生物医药文献挖掘 生物医学文献库生物医学文献库PubMed包含超过两千万包含超过两千万篇文献摘要及超过百万篇的全文篇文献摘要及超过百万篇的全文 使用使用MEDLINE摘要和摘要和PMC OpenAccess 全文进行并行挖掘全文进行并行挖掘 构建构建“肿瘤肿瘤-基因基因-药物药物”关系数据关系数据其他相关应用其他相关应用 使用心电大数据研究心脏性猝死早使用心电大数据研究心脏性猝死早期预
13、警期预警 基于大数据的临床抗菌药物合理使基于大数据的临床抗菌药物合理使用用172、典型应用：生物信息学、典型应用：生物信息学基因组学分析基因组学分析 全基因组重测序，外显子，全基因组重测序，外显子，SNP 宏基因组分析宏基因组分析 全基因组全基因组DNA甲基化测序甲基化测序人类全基因组重测序人类全基因组重测序 2000人基因组人基因组 30X深度测序深度测序 8小时完成原来小时完成原来8个月的工作量个月的工作量182、典型应用：生物信息学、典型应用：生物信息学基因调控网络基因调控网络 通过贝叶斯法构造高等植物（鼠通过贝叶斯法构造高等植物（鼠耳芥）的全基因组调控网络耳芥）的全基因组调控网络 全基
14、因组调控网络有助于从基因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组尺度理解基因调控作用 8192 结点、结点、160 万核，万核，2.2亿单亿单元规模的科学应用运行元规模的科学应用运行3小时小时蛋白组学研究蛋白组学研究 质谱，代谢组质谱，代谢组 翻译后修饰翻译后修饰192、典型应用：生物信息学、典型应用：生物信息学Galaxy生物信息分析平台生物信息分析平台 基于基于WEB的开放性生物信息分析平的开放性生物信息分析平台。台。 支持多种数据上传方式支持多种数据上传方式 支持多款生物信息分析相关的工具支持多款生物信息分析相关的工具 支持工作流的创建、历史记录功能支持工作流的创建、历史记录
15、功能 支持用户管理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支持数据的可视化支持数据共享功能能 支持自定义工具的添加支持自定义工具的添加202、典型应用：生物大分子研究、典型应用：生物大分子研究分子动力学及第一性原理计算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离子液体溶解真实纤维素的分子动力学模拟模拟 问题规模：问题规模：320000+ atoms Gromacs 5.0.4单精度单精度 22ns/day Gromacs 5.0.4双精度双精度 12ns/day 得到了初步的溶解过程，探索了阴阳离得到了初步的溶解过程，探索了阴阳离子的作用机制子的作用机制模拟的纤
16、维素初始及结束构象212、典型应用：生物大分子研究、典型应用：生物大分子研究分子动力学及第一性原理计算分子动力学及第一性原理计算 HIV与硫酸茚地那韦相互作用机制与硫酸茚地那韦相互作用机制 Hartree-Fock自洽场迭代（自洽场迭代（SCF） 模拟模拟2938原子，基函数阶数原子，基函数阶数27394 使用使用8100结点结点 ，共，共156 万核，并行效率万核，并行效率达达70%生物大分子结构生物大分子结构 核糖体结构的建模和动态结构模拟核糖体结构的建模和动态结构模拟2、典型应用：组织器官模拟、典型应用：组织器官模拟兔子心脏电传播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
17、内部的电传播情况模拟了在心脏底部进行电激励后，心脏内部的电传播情况232、典型应用：三维重构、典型应用：三维重构神经内部结构三维重建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，均清晰可见无论神经大体结构还是精细结构，均清晰可见243、未来应用拓展方向：精准医疗、未来应用拓展方向：精准医疗精准医疗精准医疗 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。新兴方法。 在美、英等多国获得国家层面的支持在美、英等多国获得国家层面的支持 中国也开始了精准
18、医疗部署中国也开始了精准医疗部署2016 列入国家重点研发计划2015.3. 科技部召开国家首次精准医学战略专家会议2015.2. 国家成立中国精准医疗战略专家组3、未来应用拓展方向：精准医疗、未来应用拓展方向：精准医疗 精准医疗技术背景精准医疗技术背景 基因测序技术的飞速发展基因测序技术的飞速发展 大数据存储、分析技术的广大数据存储、分析技术的广生物医学数据分析技术泛使用泛使用 生物医学数据分析技术生物医学数据分析技术大数据存储、分析的软硬件技术 基因组基因组 蛋白质组蛋白质组 医学前沿技术医学前沿技术基因测序技术医3、未来应用拓展方向：精准医疗、未来应用拓展方向：精准医疗精准医疗的短期目标
19、：癌症治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研究抗药性产生的原因和克服方法3、未来应用拓展方向：精准医疗、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 建立百万人级别的数据库建立百万人级别的数据库基因数据基因数据 基于这些数据开展研究基于这些数据开展研究药物基因组学，用合适的药物、药物基因组学，用合适的药物、合适的剂量治疗病人合适的剂量治疗病人生物样本生物样本设定新的治疗和预防疾病目标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测试移动设备以鼓励健康行为寻找更多疾病的科学基础寻找更多疾病的科学基础电子健康记录电子健康记录生活饮食信息生活饮食信息4、总结、总结人病 药294、总结、总结高性能计算与大数据处理融合发展趋势高性能计算与大数据处理融合发展趋势人 大力支持生物医药大数据大力支持生物医药大数据病 药 构建支撑精准医疗的基础设施和服务平台构建支撑精准医疗的基础设施和服务平台30谢谢 谢谢开放、合作、创新、发展开放、合作、创新、发展31
