超算戰疫：藥物篩選、基因測序背后的力量

從農歷年三十開始，國家級超算中心和企業級超算平臺相繼加入醫療診治大軍，以提供軟件和算力支持的方式參與藥物篩選、基因組學檢測分析等進程。這讓以往需以月乃至年為計的運算、檢測時間被縮短到幾天，一批老藥據此得到驗證通過，快速進入臨床治療。

“到2月為止，深圳中心已經調度了千萬機時（超算資源單位），這個數據還在增長。”接受21世紀經濟報道記者專訪時，國家超算深圳中心主任馮圣中如此介紹道。

在相鄰的湖南省內，國家超算長沙中心也“把過年期間一些非緊急性任務進行了重新調度和劃分，加班加點構建了彈性資源調度云平臺，還緊急啟用了一部分新的大數據服務器。”長沙中心副主任彭紹亮向記者表示。

臨床治療背后的算力賽跑

原本已進入假日模式的國家超算深圳中心在大年三十被一通電話打破了平靜。

下午一點多，中心主任馮圣中接到來自中山大學藥學院教授的電話，急尋計算資源。此前，教授已經咨詢過了多家機構未果。

“科技工作者養兵千日用兵一時，現在正是做貢獻的時候。”他向記者表示，當時有同事買好了票準備回湖北老家，因為臨時接到工作退了票。

當天下午不久，深圳中心協調出了400個節點資源，免費提供給前述教授團隊，用于藥物篩選工作。

第二天也即大年初一，考慮到短時間內后續計算資源可能無法快速到位，深圳中心向其他超算中心發出協同請求。“看誰能調度一些資源出來，先做軟件優化工作，一旦有需要就可以馬上把計算任務提交過去。當時在溝通之后，有幾家都提出響應，提出免費支持。”

當然這也基于國內幾處國家級超算中心分別著力的應用領域不甚相同，有些可能并無相關軟件支持，若移植計算任務會很難接收并處理，只能作罷。

據馮圣中介紹，超算中心在這段時間的工作核心包括兩部分：第一是技術性的，即在掌握原始計算數據的基礎上，需要優化對應軟件環境，讓數據“跑起來”，這需要技術人員調教完成；第二是協調方面，超算中心的算力資源幾乎時時滿載，當接到緊急任務時，就需要協調不那么緊迫的應用延后處理。“從春節到現在，深圳中心的近二十名工程師在輪班支持這些工作。”

到目前為止，深圳中心優先調度了千萬機時的資源用于支持藥物篩選、基因組學等計算需求，這是相比往年來說最大的變化。馮圣中告訴記者，常規來說，深圳中心算力需求前三位的場景分別是新材料、生命科學和量子化學研究等，其中新材料需要的算力占中心資源的30%。

“這千萬機時都是從其他不那么緊迫的計算任務中擠出來，主要用于老藥新用的藥物篩選工作。”他進一步解釋道，從原理來說，醫藥專家將新冠病毒的蛋白分子結構提出作為靶標，老藥則在藥物分子庫中早有列出，通過調用軟件算法進行相應計算，就能找到相關適用的藥物。

“如果是完全從頭開始做藥物試劑，一般不是用于緊急的臨床需求，那么會從小分子開始層層篩選，結合實驗室的具體驗證逐漸縮小候選范圍，最后找到結果，這是一個很漫長的過程。”馮圣中舉例道，有時候可能花費了10億美元、研發了十年，都未必能研發出合適的新藥，也可能藥物會存在一定風險。

在這些快速聚集的資源背后，一些被計算驗證通過的老藥開始用于臨床治療，一些也已走在路上。

馮圣中最近得到消息是，前述深圳中心算力支持的中山大學藥學院，已經將得出的成果用于湖北省的幾十家醫院臨床使用。

在八百多公里之外的湖南長沙也在近日獲得了好消息。生命科學一直是國家超算長沙中心長期關注的重點領域，中心副主任彭紹亮主持并參與研發了三大系統，其中一個就涉及臨床治療。

專訪過程中他向記者介紹道，該系統是“基于超算的人工智能病原檢測和抗病毒藥物重定位大數據平臺”，其中構建了最大規模異構的生物醫藥網絡，提出人工智能病原微生物檢測和藥物設計方法。

“長沙中心目前已助力軍事醫學科學院毒物藥物研究所和軍事醫學研究院國家應急防控藥物工程技術研究中心，發現了雷米迪維、氯喹、利托那韋等三種老藥在細胞層面對新冠病毒有抑制作用，后續的臨床測試和使用正在走相關程序報批。”彭紹亮如此表示。

克服結構化運算難題

彭紹亮告訴21世紀經濟報道記者，相比其他應用，新冠病毒和抗疫數據具有規模大、更新快、異構等特點，對數據的計算分析和實時性處理提出了更高的要求。

“為此，國家超算長沙中心構建了超算資源調度云平臺，可以根據每天的計算負載和數據傳輸開銷，動態調度合理安排計算、存儲、通訊資源，重點保障抗病抗疫任務。”

另一個難題是，原來用在醫療機構的是小規模計算，轉換到超算中心的大規模平臺上，要維持穩定地“跑數據”需要技術性優化，但中心一般提供的是公共計算資源，并不會對特定需求修改計算機程序。

“針對這段時間疫情的科技攻關會跟常規不同，我們考慮可能要先相應改善做到支持保障，之后再慢慢恢復。”馮圣中表示，這原本對超算中心的技術人員來說是常規工作，只是針對特定的需求，有時短期內難以根本解決這些難題，會選擇權宜之計先支持運算起來再說。

一個多月時間內，各地超算中心多管齊下，著力點早不僅限于臨床醫療。

彭紹亮告訴記者，開年到現在，長沙中心針對省內防疫形勢，開展了一系列合作研發工作。包括聯合湖南省通信管理局搭建基于信令數據的疫情分析預警平臺；與湘雅系醫院、鵬城實驗室等單位研發“GeoAI：人工智能抗冠預警可視化系統”；分別聯合多家生物醫藥機構聯合開發新冠病毒核算檢測試劑盒或其他家庭簡易式自查技術等。

“下一步，國家超級計算長沙中心將繼續集中力量，加力攻關，強化疫情防控技術研發和成果應用。”他表示。

馮圣中則向記者介紹，除前述應用之外，隨著返工潮的開啟，深圳中心還參與了疫情分析篩查、與鵬城實驗室和南方科技大學等機構聯合進行疫情發展趨勢研判等，目前主要為深圳市民提供出行參考。“其中算力要求最大的是藥物篩選，其次是基因組學分析，分析和研判工作目前來說對算力需求還不算太大。”

公共事件中的超算角色

馮圣中向21世紀經濟報道記者指出，“在抗疫過程中，我們看到在國家級單位之外，企業基于一些原因可能未必愿意拿出資源參與進來，所以建立大型高水平的國家級超算中心很有必要，這是科研基礎設施，類似疫情中公立醫院發揮的作用。”

此外他建議建設專題性大數據中心，如傳染性疾病大數據中心等。“AI和大數據可以發揮很多作用，但目前還遠不夠。比如能否更早發現問題、采取措施并精準防控等。”他舉例道，在防疫早期的封城封路措施有些一刀切，但可以利用大數據等措施，分級分區進行防控；基于大數據也可以在未完全掌握相關人群行動軌跡時，便能綜合獲得相應信息。“所以我覺得依托超算中心建立專題型大數據中心很有必要，尤其是應對突發疫情等事件時。”

疫情還凸顯出掌握多學科交叉技術人才的重要性。放到超算領域，也并不只是懂得計算就足夠，還需要對專業領域有認知和了解。“比如疫情防控就涉及疾控、醫藥、臨床等各方面，這需要體制機制鼓勵和培養各種綜合能力人才。”

彭紹亮也強調了大數據分析應用和超級計算應用的重要性。“新型冠狀病毒肺炎疫情爆發以來，大數據在疫情態勢研判、傳播路徑分析、精準防控及后續治理中都扮演著重要角色。此外，隨著生命科學、材料、能源等應用領域的不斷深入和擴展，意味著需要更大規模的計算和存儲資源的支持和超級計算機整機系統的更新換代，從而持續保持我國在國際超算領域的領先地位。”