Голубые гены

Архив

Существует проблема, известная как фолдинг белков. Сразу поясняю: и наши, и зарубежные ученые говорят одинаково: "фолдинг", "folding". Назови кошку кошкой!

Фолдинг является естественным процессом формирования пространственных структур белков из соединенных в полипептидные цепи аминокислотных остатков. Размеры белков, зачастую состоящих из сотен, а то и тысяч аминокислот, делают предсказание их свойств практически невозможным. Вот, к примеру, гемоглобин, белок, состоящий из четырех субъединиц по 150 аминокислот. Каждая из аминокислот может находиться в десяти разных состояниях (берем по минимуму). Таким образом, общее число вариантов молекулы гемоглобина составит 10150, и при скорости анализа 1 тыс. вариантов в секунду (типичная цифра для суперкомпьютера производительностью, скажем, 1 гигафлоп) процесс займет не менее 10130 миллионов лет. Впрочем, человеческий разум не способен ни представить, ни оценить величину такого порядка.

Белки контролируют все клеточные процессы в живых организмах. Всякое изменение структуры белка немедленно приводит к изменению его функции. Даже малейшие нерегулярности фолдинга могут стать причиной серьезнейших заболеваний. Понять механизм фолдинга - значит понять причину многих заболеваний и вплотную подобраться к способам их излечения.

Медики и биологи рассматривают проблему фолдинга как одну из наиболее грандиозных и фундаментальных - ее решение окажет глобальное воздействие даже на общемировую экономику. Фармацевтические компании будут производить лекарства по персональным заказам. Появится возможность мгновенно реагировать на мутации бактерий и вирусов, которые делают эти организмы невосприимчивыми к эффективным дотоле препаратам. Наконец-то прекратятся эпидемии гриппа. А может быть, удастся победить даже СПИД и злокачественные образования.

Работа идет полным ходом - повсеместно. Как заявил Пол Хорн (Paul Horn), старший вице-президент IBM Research, прославленный Deep Blue, победивший в 1997 году Гарри Каспарова, сейчас исследует фолдинг в цепях аминокислотных остатков длиной до пятидесяти молекул.

В прошлогодней предрождественской суете осталось почти без внимания важное сообщение от IBM. Корпорация объявила об исследовательской инициативе, в которую на первом этапе будет инвестировано 100 млн. долларов. В результате появится суперкомпьютер, названный IBM'овцами Blue Gene, который сможет выполнять более квадриллиона операций с плавающей запятой в секунду, что означает производительность 1 петафлоп (см. "КТ" #330). Deep Blue обладает всего лишь тысячной долей этой мощи. Blue Gene раз в пятьсот превзойдет нынешних чемпионов ASCI Red (Intel, производительность 2,3 терафлоп) и Blue Pacific (IBM, производительность 2,1 терафлоп).

Проект Blue Gene будет выполнен за четыре-пять лет. Петафлопная производительность станет возможной благодаря радикально новой компьютерной архитектуре, названной Simple, Many and Self-Healing (SMASH). В переводе на русский это звучит примерно так: "Простое, его много, оно само себя лечит".

SMASH отличается от известных архитектур тремя принципиальными аспектами. Прежде всего, резко снижена сложность отдельных процессоров и число исполняемых ими команд, что не только ускорит выполнение кода, но и снизит энергопотребление и уменьшит активную площадь каждого чипа. Далее, архитектура обеспечит массивный параллелизм обработки данных на немыслимом пока уровне: более 8 млн. параллельных ветвей! В самых мощных на сегодня компьютерах число ветвей не превышает 5-10 тысяч. Наконец, архитектура SMASH обеспечивает самостабилизацию и самовосстановление компьютера (эти способности, кстати, проистекают из решений, реализованных в системах S/390). Blue Gene сможет самостоятельно обнаруживать ошибки в ветвях вычислений, изолировать неисправные процессоры и восстанавливать корректность процесса решения главной задачи.

На первых порах Blue Gene будет состоять из 1 млн. (!) процессоров производительностью по 1 млрд. операций в секунду (гигафлоп). На каждом из чипов, входящих в состав Blue Gene, разместится по 32 таких сверхбыстрых процессора. При этом весь суперкомпьютер займет не более 185 кв. метров.

Чипы Blue Gene станут дальнейшим развитием идеологии IBM, которая в ближайшее время воплотится в чипах Power4, каждый из которых будет содержать по четыре процессора. А на следующем витке эволюции суперкомпьютеров каждый из процессоров будет иметь и собственную оперативную память.

NB: суммарная пропускная способность межпроцессорных каналов Blue Gene такова, что весь контент нынешнего Интернета мог бы быть прокачанным через них всего за одну секунду!

Еще один интересный факт, имеющий отношение к эмпирическим закономерностям развития высоких технологий. Руководители проекта Blue Gene утверждают, что через пять лет их детище будет демонстрировать удельные (в расчете на единицу рабочей площади чипов) показатели производительности, соответствующие тем, которые по закону Мура могут быть достигнуты лишь через пятнадцать лет.

В проекте участвуют пятьдесят ученых из Deep Computing Institute и Computational Biology Group - учреждений, входящих в состав IBM Research. Blue Gene будет размещен в Уотсоновском исследовательском центре IBM (Йорктаун-Хейтс, штат Нью-Йорк).

Анализ протеина, состоящего из трехсот молекул, потребует года непрерывной работы Blue Gene! IBM рассчитывает, что к финансированию проекта подключатся заинтересованные фармацевтические компании.

Кроме разгадки тайны фолдинга, Blue Gene поможет моделировать Большой взрыв (первые несколько сот секунд жизни нашей Вселенной), анализировать в реальном времени общемировые финансовые и политические процессы и многое другое. Нынешние суперкомпьютеры на это не способны.

По словам Хорна, миллион процессоров Blue Gene в определенном смысле уподобит суперкомпьютер человеческому мозгу. Более того, впервые искусственное творение будет наделено способностями обрабатывать информацию, сравнимыми со способностями среднего человека. Однако следует понимать, что Blue Gene - всего лишь компьютер, хотя и чрезвычайно мощный. Он не обретет интеллекта и не будет способен мыслить. Это останется прерогативой человека.