SUPERзадачи и SUPERрешения

Просторные залы уставлены металлическими шкафами. Это гордость университетов, правительств и корпораций - суперкомпьютеры. Что за числа они перемалывают? И какая от них польза?

Каждый день в каждой клеточке нашего организма молекулы ДНК теряют по 10 тысяч оснований. Причина тому - воздействие пестицидов, пищевых мутагенов и ионизирующего излучения солнца. Не устраненные разрывы в ДНК приводят к мутациям, и вероятность заболевания, в том числе образования злокачественных опухолей, растет.

Клеточная машинерия содержит множество ферментов, устраняющих повреждения спирали ДНК. Понимание механизма работы ферментов позволит значительно расширить наши возможности в борьбе с различными заболеваниями.

Важнейшую роль в восстановлении утраченных оснований играет реакция гидролиза фосфата. Для изучения этой реакции ученые из Lawrence Livermore National Laboratory моделировали взаимодействие ферментов с концами разорванной ДНК. В эксперименте обсчитывалась динамика 65 молекул воды, одной молекулы диметилфосфата (основного материала, необходимого для синтеза основания ДНК) и одного иона магния. В модели учитывался каждый атом и окружающее его облако электронов. Понадобился месяц вычислений на суперкомпьютере ASCI Blue производительностью 2 TFLOPS, чтобы рассчитать процессы, которые в реальном мире длятся… как вы думаете, сколько? Одну триллионную долю секунды.

Нарушить процесс репликации могут не только разрывы, но и мутагены, связывающиеся с нитью ДНК. Часто мутагены образуются в пище - в процессе ее приготовления. Моделирование мутагенов, относящихся к семейству соединений 2-аминоимидазола-азарина, позволило выявить ферменты, причастные к их активации, и определить локальную конфигурацию ДНК в месте наиболее вероятного образования связи. Но как снизить концентрацию вредных веществ в пище, сделать ее здоровой? Для этого необходимо изучить процессы образования мутагенов. Исследователи решили начать с котлет. Чтобы построить модель «виртуальной сковороды», провели серию экспериментов. В результате была приготовлена пара дюжин гамбургеров, получен профиль распределения мутагенов внутри котлеты, а также открыта зависимость концентрации вредных соединений от частоты переворачивания котлеты (чем чаще ее переворачивают, тем меньше в ней мутагенов). Модель была построена, и вычислительный эксперимент на одном из суперкомпьютеров ASCI подтвердил ее адекватность. В планах ученых - разработка оптимальных режимов жарки, позволяющих свести концентрацию мутагенов в пище к минимуму.

Также биологи из Ливерморской лаборатории исследовали проблему сохранения тканей организма при переохлаждении. Более четырех десятилетий ученые бились над неразрешимой загадкой: почему некоторые виды рыб, обитающих в Антарктике, выживают при температуре ниже точки замерзания воды? Было открыто, что эта способность обусловлена наличием в крови специальных белков, но механизм их функционирования оставался непонятен. Для проверки гипотезы о том, что эти белки связывают кристаллики льда и действуют подобно одеялу, провели моделирование на одной из машин ASCI, находящихся в распоряжении лаборатории. Оказывается, пары молекул белка-антифриза могут соединяться в стабильные структуры, абсорбирующие и сохраняющие тепло при переходе из одной конфигурации в другую.

Вы задумывались над тем, что произойдет с нашей галактикой через 3 миллиарда лет? По одной из гипотез наша галактика, Млечный путь, столкнется с галактикой Андромеды, и еще через миллиард лет они объединятся и сформируют эллиптическую галактику. Сейчас Млечный путь, состоящий из 400 миллиардов звезд, образующих спираль диаметром 100 тысяч световых лет, и Андромеда находятся на расстоянии 2,2 миллиона световых лет друг от друга и сближаются со скоростью 500 тысяч км/час.

Столкновения галактик во вселенной время от времени происходят, и мы можем наблюдать их драматические последствия - выбросы звезд, формирующих расходящиеся спиральные рукава, интенсивное звездообразование из-за нагревания межзвездного газа… Взбудораженные такими картинами астрономы решили, что «забавно и поучительно» посмотреть, как будут развиваться события при столкновении нашей галактики с галактикой Андромеды. Катастрофу смоделировали на машине IBM Blue Horizon с пиковой производительностью 1,7 TFLOPS. Каждая галактика включала около 40 миллионов звезд и 10 миллионов частиц темной материи, находящейся в гало. Всего в эксперименте участвовало более 100 миллионов виртуальных частиц. И вот галактики сближаются, сталкиваются, слегка разлетаются, разбрасывая длинные звездные рукава, еще несколько столкновений, следующих одно за другим, и галактики объединяются. Прошло всего около миллиарда лет.

Благодаря моделированию ученые смогли представить себе процесс столкновения галактик и получили возможность разработать методы оценки полной массы эллиптических галактик по кинематике звездных выбросов и структуре оболочки. А что увидели бы обыкновенные люди через 3 миллиарда лет? Сначала, при приближении Андромеды, они могли бы любоваться видом спиральной галактики, заполняющим ночное небо. Затем все зависело бы от деталей столкновения. В одном случае солнечная система вылетела бы в один из рукавов и оказалась вдалеке от скопления звезд; в другом - попала бы в самый центр формирующейся галактики, и ночное небо было бы ярко освещено взрывами сверхновых.

Циклон Джордж (Georges), обрушившийся в 1998 году на Доминиканскую республику и Гаити, унес более шестисот человеческих жизней. За сутки выпало 975 мм осадков, вызвавших катастрофические наводнения и селевые оползни. Так что знание причин возникновения ураганов и их динамики является одной из насущных научных задач.

Для исследования атмосферных явлений группа ученых из Colorado State University в начале 1990-х разработала метеорологическую модель Regional Atmospheric Modeling System. Она позволяет понять не только механизм формирования циклонов и ураганов, но и исследовать глобальные изменения климата. При этом в модель заложены возможности изучения локальных свойств воздушных потоков, например, с ее помощью можно построить карту циркуляции воздуха между зданиями города.

Появление мощных вычислительных систем открыло новые потенциалы для проверки и совершенствования модели. Так, исследователи заложили в нее фактические данные о зарождении и первоначальной эволюции циклона Джордж, а затем проследили его развитие в вычислительном эксперименте. И хотя обычно в подобных моделях шаг сетки по поверхности Земли составляет 20 км, суперкомпьютер IBM Blue Horizon, расположенный в суперкомпьютерном центре Сан-Диего (San Diego Supercomputer Center), позволил сократить шаг в четыре раза. Задача была посчитана с помощью 64 из 1152 процессоров этой машины. Модель дала хорошее приближение к действительности, но раз вычислительные мощности позволяют, почему бы еще не сократить шаг? Новый расчет с шагом 1 км использует уже более 256 процессоров, в нем исследуется влияние температуры океана на образование ураганов. По общепринятой гипотезе, повышение температуры океана из-за глобального потепления должно порождать все более мощные циклоны со все более высокой скоростью ветра. Каково же было удивление метеорологов, когда они обнаружили, что увеличение температуры океана на 2 °С не приводит к увеличению силы урагана, но значительно повышает объем осадков. Впрочем, утешительного в этих результатах мало, ведь именно сильные осадки являются причиной основных разрушений, а вовсе не ветер, как могло бы показаться на первый взгляд.

Вычислительная мощь суперкомпьютеров позволила объединить метеорологические модели с экологическими. Не секрет, что вырубка лесов и использование земель в сельскохозяйственных целях влияют на климат, но как оценить масштабы этого влияния? Ученые смоделировали изменения климата над территорией США с момента заселения Америки европейцами. Выяснилось, что интенсивное использование земель оказывает на климат влияние, по масштабу сравнимое с удвоением концентрации двуокиси углерода в атмосфере. Это оказалось сюрпризом для исследователей. Ранее считалось, что главным фактором, влияющим на климат, является как раз повышение концентрации двуокиси углерода, ведущее к потеплению.

Одной из сверхзадач современной науки является понимание механизмов работы мозга. Мозг обрабатывает информацию параллельно, массивно-параллельную структуру имеют и современные суперкомпьютеры. Поэтому масштабное моделирование нейронных сетей может быть легко адаптировано для вычисления на высокопроизводительных системах.

Исследователи из подразделения теоретической нейробиологии университета Антверпена (Theoretical Neurobiology, University of Antwerp) использовали суперкомпьютер для моделирования части церебрального кортекса. Анатомическая структура кортекса хорошо изучена, и ученые решили смоделировать поведение нейронов, начиная с входа мшистых волокон и до выхода клетки Пуркинье, учитывая зернистый слой, звездчатые клетки и клетки Гольджи. В качестве основы для модели были взяты данные экспериментов с мозжечком крысы.

Моделируемая нейронная сеть была довольно сложна и состояла из двумерной входной сети мшистых клеток, создававших возбуждение на зернистом слое, содержащем клетки Гольджи. Зернистые клетки были расположены в трехмерном пространстве и передавали возбуждение на дендриты клетки Пуркинье, которое, в свою очередь, тормозилось облаком звездчатых клеток. Основной упор сделали на изучении активности клетки Пуркинье. Так вот, ее активность, полученная в результате вычислений, не подтверждалась экспериментальными данными. Ученые решили, что причиной неудачи стало малое количество зернистых клеток, учитывавшихся при моделировании. Рабочая станция, на которой производились расчеты, позволяла включить в модель лишь 20 тысяч зернистых клеток, что в несколько раз меньше, чем в действительности.

Cray T3E, установленный в университете Эдинбурга, содержал к тому времени 128 процессоров, именно этот компьютер и использовали нейробиологи. Клетка Пуркинье была смоделирована намного детальнее, чем остальные, и требовала в 1000 раз большего объема вычислений, нежели любая другая. Для моделирования клетки Пуркинье было выделено 16 процессоров, а остальные 112 рассчитывали поведение 224 тысяч клеток зернистого слоя. Для расчета двух секунд реальной жизни нейронной сети потребовалось 2,5 часа машинного времени суперкомпьютера, при этом час ушел на загрузку программы. Анализ результатов показал, что клетка Пуркинье заработала адекватно, а это значит, что реалистичные нейромодели должны включать сотни тысяч клеток, иного пути нет. Ну что же, еще одно яблоко в корзину создателей высокопроизводительных вычислительных систем.