Von Beginn an haben sich Supercomputer den größten, komplexesten und datenintensivsten Rechenherausforderungen gestellt – von der Bestätigung von Einsteins Theorien über Gravitationswellen bis zur Vorhersage der Auswirkungen des Klimawandels.
Jetzt nutzen Wissenschaftler und politische Entscheidungsträger diese HPC-Systeme (High Performance Computing) für die Beantwortung einiger ihrer dringendsten Fragen zu COVID-19 und dem neuartigen Coronavirus-Stamm, der diese Infektion verursacht.
„COVID-19 kommt aus allen Richtungen auf uns zu“, so Tim Cockerill, User Services Director, Texas Advanced Computer Center (TACC), The University of Texas. „HPC-Systeme unterstützen ein außerordentlich breites Forschungsspektrum mit dem Ziel, das Virus besser zu verstehen und darauf zu reagieren. HPC ist ein entscheidender Bestandteil der Erforschung des Coronavirus.“
Modelle von Coronavirus-Proteinen können bei der Identifizierung von Zielen für neue COVID-19-Arzneimittelbehandlungen helfen. Bildquelle: Lorenzo Casalino, Zied Gaieb, Abigail Dommer, Rommie Amaro. UC San Diego.
Das bedeutet, dass hinter allem – hinter den Helden des Gesundheitswesens, die kritische Versorgung leisten, den Laborwissenschaftlern, die nach Heilmitteln suchen, und den Planern, die versuchen, neuen Ausbrüchen zuvorzukommen – Tausende von Computerwissenschaftlern und Forschern aus der ganzen Welt stehen, die sich für den Kampf gegen COVID-19 einsetzen. Sie verwenden die leistungsstärksten Supercomputer der Welt, viele mit Intel® Prozessoren, um das Virus aus allen erdenklichen Blickwinkeln, in Größenordnungen von winzig bis gewaltig, zu untersuchen.
COVID-19 kommt aus allen Richtungen auf uns zu. HPC-Systeme unterstützen ein außerordentlich breites Forschungsspektrum mit dem Ziel, das Virus besser zu verstehen und darauf zu reagieren.“ – Tim Cockerill, User Services Director, Texas Advanced Computer Center
Einblicke auf Atomebene
Auf molekularer Ebene erstellen Forschungsteams detaillierte digitale Modelle des neuartigen Coronavirus und führen physikalische Simulationen durch, um herauszufinden, wie es funktioniert und welche Aspekte seiner molekularen Struktur mögliche Ziele für Impfstoffe und Behandlungen darstellen.
Eines dieser Forschungsteams, ein Team an der University of California San Diego (UCSD), konstruiert derzeit ein vollständiges Modell der Außenhülle des Virus – dies ist der Teil, den wir aufzulösen versuchen, wenn wir uns 20 Sekunden lang die Hände waschen. Außerdem planen sie eine Simulierung der Wechselwirkungen zwischen den 200 Millionen Atomen, aus denen die Hülle besteht.
Derzeit simulieren Wissenschaftler 300.000 Liganden pro Stunde auf Frontera. Bildquelle: Argonne National Laboratory.
Das UCSD-Team führt seine Codes auf dem leistungsstärksten wissenschaftlichen Supercomputer der Welt1 aus, der sich am TACC befindet und über 8.008 Knoten verfügt, von denen jeder so leistungsstark ist wie mehrere Desktop-Computer zusammen.
Eine vom Argonne National Laboratory des Energieministeriums geleitete Zusammenarbeit untersucht mithilfe von Intel® Technik Millionen kleiner Moleküle, auf der Suche nach den meistversprechenden Zielen für neue Arzneimittel zur Vorbeugung oder Behandlung von COVID-19.
Beide Teams tauschen ihre Ergebnisse mit Arzneimittelentwicklern und anderen Wissenschaftlern aus, um weitere Untersuchungen zu ermöglichen.
Eine Grundlage für wissenschaftliche Strategien
Auf Makroebene bemühen sich Wissenschaftler und Politikanalysten um ein besseres Verständnis, wie sich COVID-19 verbreitet und welche Eindämmungsstrategien die Übertragung der Krankheit und die Störung des Wirtschaftsgeschehens am besten minimieren können. Epidemiologische Simulationen liefern ihnen Daten zur Entwicklung wissenschaftlich fundierter Antworten auf diese Fragen.
In einer der größten epidemiologischen Studien zu COVID-19 hat ein 80-köpfiges Team des University of Virginia Biocomplexity Institute und seiner Partnerinstitutionen einen detaillierten „digitalen Zwilling“ entwickelt, der die gesamte Bevölkerung der Vereinigten Staaten modelliert. Mit diesem Modell simulieren sie, wie die USA auf mögliche pandemiebedingte Maßnahmen reagieren würden, um Antworten auf die dringendsten „Was wäre wenn“-Fragen zu erhalten. Das Modell läuft jede Nacht im Pittsburgh Supercomputing Center, und die Ergebnisse werden an die bundesstaatlichen und staatlichen Behörden weitergegeben.
Zusammenarbeit zur Beschleunigung des Fortschritts
Supercomputer sind für die COVID-19-Bemühungen von solch großer Bedeutung, dass sich Regierung, Industrie und wissenschaftliche Führungskräfte zusammengeschlossen haben, um sicherzustellen, dass strategische Forschungsinitiativen Zugang zu den erforderlichen Ressourcen und Fachkenntnissen haben. Intel unterstützt die Wissenschaftler als Mitglied des COVID-19 HPC Consortium, einer öffentlich-privaten Zusammenarbeit, die vom White House Office of Science and Technology Policy initiiert wurde, um den Zugang zu HPC-Ressourcen zu ermöglichen. Durch unsere laufenden Partnerschaften mit HPC-Zentren, Forschungsteams und der Open Source-Community tragen wir zur Leistungsoptimierung kritischer Tools und Anwendungen bei, um schnellere Fortschritte zu ermöglichen.
HPC-Zentren schaffen auf ihren Supercomputern Zeit für COVID-Projekte. Unter anderem haben das Leibniz-Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften und die König-Abdullah-Universität für Wissenschaft und Technologie in Saudi-Arabien Coronavirus-Forschungsteams eingeladen, sich für Zeit auf ihren HPC-Plattformen mit Intel® Prozessoren zu bewerben.
Auch die Öl- und Gasunternehmen haben ihre Anstrengungen verstärkt. BP stellt Zeit auf seinem großindustriellen HPE Apollo-Supercomputer zur Verfügung. Der italienische Marktführer im Öl- und Gassektor Eni stellt seine Supercomputer-Ressourcen und seine Kompetenzen bei der molekularen Modellierung (werden normalerweise für die seismische Forschung eingesetzt) zur Verfügung, um zu helfen. Eni arbeitet in Kollaboration mit Dompé, einem biopharmazeutischen Unternehmen mit Hauptsitz in Mailand, und Cineca, einem gemeinnützigen Forschungskonsortium, um den Weg zu COVID-19-Behandlungen zu beschleunigen.
Der Kampf gegen COVID-19 und das Angehen der nächsten globalen Herausforderung
Supercomputing ist im Kampf gegen COVID-19 von entscheidender Bedeutung und die wissenschaftliche Gemeinschaft hat sich der Herausforderung gestellt. Wissenschaftler nutzen Intel® Technik und setzen ihr Fachwissen und ihre Leidenschaft ein, um das weltweite Verständnis der Krankheit, ihrer Ursachen und ihrer Auswirkungen voranzubringen. Branchenführer arbeiten mit Regierungsbehörden und Universitäten zusammen, um Forschungsinitiativen zu unterstützen, die zu Heilungen und Impfstoffen führen und eine Grundlage für eine faktengestützte Politik bieten können.
Dabei liefern sie ein Modell für Zusammenarbeit bei der Lösung der größten Probleme. Sie entwickeln ihre Algorithmen und Software auf eine Art und Weise, die für das Verständnis von COVID-19 von entscheidender Bedeutung ist und auch dazu beitragen kann, schnellere und tiefere Einblicke in die Wissenschaft anderer globaler Herausforderungen und Chancen zu erhalten.
Mit diesem Wissen und dieser Erfahrung können wir uns eine Welt nach der Pandemie vorstellen, die besser darauf vorbereitet ist, den Klimawandel zu bekämpfen, intelligente Städte zu bauen – und sich dem nächsten tödlichen Virus zu stellen.
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