Wissenschaft ohne Grenzen: Schnelle Datenanalysen revolutionieren medizinische Forschung

Die Medizin profitiert von der Auswertung enormer Datenmengen. HPC-Systeme steigern dabei die Geschwindigkeit von wegweisenden Entdeckungen und Innovationen.

Moderne Technologien und Verfahren eröffnen den Blick auf fundamentale Prozesse im menschlichen Körper. Als vielleicht bedeutendstes Resultat dieser Entwicklung könnte die Präzisionsmedizin den Umgang mit Krankheiten und Verletzungen schon bald grundlegend verändern und eine komplett personalisierte Behandlung ermöglichen. Damit IT-basierte medizinische Forschung allerdings die notwendigen Voraussetzungen dafür schaffen kann – etwa durch das Beleuchten biologischer Pfade, die Identifizierung von Krankheitsmechanismen oder die kosteneffiziente Entwicklung von Medikamenten –, müssen oftmals riesige Mengen hochkomplexer Daten miteinander kombiniert und analysiert werden.

So wird beispielsweise diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (DW-MRI) bei Gehirnuntersuchungen eingesetzt, um die Bewegung von Wassermolekülen zu messen, wodurch sich Mikrostrukturen identifizieren und die Integrität neuronaler Kreise überprüfen lassen. An der Harvard Medical School wurde diese Technologie mit der Diffusion-Compartment-Imaging-(DCI-)Technik weiterentwickelt, so dass sie ein granulareres Bild liefert und neue Einsatzszenarien ermöglicht. Aufgrund der enormen Datenmengen, die bei jeder DCI-Studie entstehen, benötigte diese Bildverarbeitung anfangs allerdings mehr als 40 Stunden. Nachdem der Code mit Intel® Software-Tools optimiert worden war, wurde mit Intel® Xeon® Prozessoren eine 75-fache und mit Intel® Xeon® Phi™ Prozessoren eine 161-fache Leistungssteigerung erzielt, so dass die vollständige Auswertung in knapp 16 Minuten durchgeführt werden konnte.

Ein leistungsstarkes HPC-Framework für Forschungseinrichtungen und Kliniken

Um über den gesamten Gesundheitssektor hinweg vergleichbare Fortschritte durch Auswertung medizinischer Daten zu ermöglichen, braucht es einen umfassenden Einsatz extrem performanter sowie skalierbarer Systeme und Netzwerke. Kosten und Komplexität solcher High-Performance-Computing-(HPC-)-Cluster stellen für viele Organisationen jedoch noch immer große Hindernisse dar. Aus diesem Grund hat Intel® in enger Zusammenarbeit mit führenden akademischen, kommerziellen und Open-Source-Instituten das Intel® Scalable System Framework (Intel® SSF) entwickelt.

Die Hard- und Software-Referenzarchitektur für Biowissenschaften vereint alle Elemente eines HPC-Systems in einer extrem leistungsfähigen Plattform und unterstützt eine große Palette an medizinischen Workloads, etwa Molekulardynamik, Genomik, molekulare Bildgebung, maschinelles Lernen, KI und Datenvisualisierung. Die Kombination und Feinabstimmung solcher Intel-Technologien wie skalierbaren Intel® Xeon® Prozessoren, Intel® Optane™ SSDs, 3D XPoint™ Speichermedien und Intel® Omni-Path-Architektur (Intel® OPA) ermöglicht dabei eine ausgewogene Cluster-Architektur, die auf Leistung, Dichte und Energieeffizienz optimiert ist. Bei Bedarf lässt sich die Performance der Systeme auf die von Supercomputern skalieren, zudem können sie im Laufe der Zeit durch das Hinzufügen von Nodes auf Basis verschiedener Prozessor- und Beschleunigeroptionen von Intel® erweitert und angepasst werden.

Die Flexibilität und Effizienz des leicht implementierbaren Lösungspakets erleichtert es, unterschiedliche Anwendungen laufen zu lassen, verschiedenartige Datensätze zu kombinieren und so komplexe Probleme zu lösen. Da das Aufrechterhalten einer stabilen und optimierten HPC-Softwareumgebung selbst für HPC-Experten eine herausfordernde und zeitraubende Aufgabe darstellt, ist ein weiterer großer Vorteil, dass sich Systemsoftware-Lösungen mit dem Intel® SSF stark vereinfachen lassen. Forschungseinrichtungen können sich so besser auf ihre Kernkompetenzen konzentrieren und beispielsweise die Behandlung von Patienten unter Berücksichtigung ihrer individuellen Voraussetzungen vorantreiben.