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超算领域的“卡脖子”黑科技:Anton计算机背后的大国博弈

2024-02-06 13:45 · 稿源: 站长之家用户

近些年,美国不断对中国科技行业“卡脖子”,对关键技术出口实施严格管控政策,竭尽全力减缓中国在尖 端科技的崛起速度。

一谈到“卡脖子”技术,我们总是会率先想到芯片、光刻机、传感器等大众耳熟能详的技术,但是在那些更少被人们关注到的领域里,同样存在许多左右大国竞争的不可忽视的关键技术。今天我们要谈的就是一台由美国垄断的名为“Anton”的专用超 级计算机,它以一己之力让美国统治了全球的生物计算和制药霸权十余年之久。而中国在病理研究和制药相关领域的专家学者们,苦于基础研究工具性能的差距,始终难以真正追赶上美国的脚步。

为了讲清Anton计算机的故事,首先我们还是先从一家成立仅仅8年的美国制药公司Relay开始说起。

全球制药效率难题  为何能被美国Relay公司突破?

我们知道,传统的药物研发在成本、效率和成功率上都面临着巨大挑战。医药研发领域存在一个经典说法:“10年+10亿美金”,即一款新药的研发至少需要“10年”的投入和“10亿美金”的花费。新药的研发不仅周期漫长、成本高昂,而且成功率低,据相关数据统计,在2000年至2015年间开发的候选药物中,预估有86%未能达到预设的研究终点。即便是全世界最 大的生物医药公司,也需要在这条高投入、长周期、高风险的独木桥上小心翼翼地前行。

不过2016年,一家名为Relay Therapeutics的准确药物研发公司横空出世,仅用18个月、不到1亿美金,就确认了一款用于治疗胆管癌的高选择性FGFR2抑制剂药物RLY-4008的结构,并且根据Relay公布的临床二期数据,该药物的客观缓解率(ORR)达到88.2%,疾病控制率(DCR)达到100 %。此外,Relay还拥有另外两款已经推进到临床开发阶段的管线产品,以及超过5个处于药物发现阶段的项目,涵盖准确肿 瘤学和遗传疾病。以上种种成就,不禁让全球制药行业为之侧目:究竟一家成立短短几年的公司是怎么做到如此高产的呢?

相信大家也猜到了,背后真正的原因就是我们今天故事的主角——Anton超 级计算机。

Relay在药物发现的过程中运用了一种“分子动力学模拟”的计算科学研究方法。分子动力学模拟是一种用计算机模拟蛋白质、核酸等生物大分子的运动的研究方法,可以帮助人们直观“看到”生物大分子的动态构象变化。

简单理解来说,目前最 先进的冷冻电子显微镜也只能拍到蛋白质的一张张静态“照片”,但是通过分子动力学模拟,却可以直接看到蛋白质运动的动态“影片”。基于“蛋白质影片”的信息,我们将更容易发现药物靶点口袋、设计易于结合的小分子等。Relay通过基因组数据、计算科学和实验科学的深度融合,将蛋白质结构和运动的深刻理解应用于药物发现,这才使得他们在一众老牌制药公司中杀出重围、一鸣惊人。

不过问题自然就来了,为什么过去的巨头制药公司不用这种方法呢?

其实,答案并不是他们不想用,而是用不了——一直以来,分子动力学模拟方法始终都因为严重的计算效率瓶颈,导致无法产业化应用。人体内典型的大分子蛋白质往往由几十万到上百万个原子构成,假设我们用分子动力学模拟方法计算一个50万原子的蛋白质运动0.001秒的“影片”,哪怕用上1000颗主流CPU并行计算,都需要耗费超过100年的时间,很显然,不可能有任何一个制药公司会“傻”到用分子动力学模拟来做药。

只是当时没有人想到,Anton超 级计算机的出现,让不可能变为了可能。

Anton超 级计算机是美国D. E. Shaw研究所于2007年首 次发布的分子动力学模拟专用超 级计算机,并且在2013年和2021年分别发布了第2代和第3代的产品,其非凡的性能及其对科学和制药研究的重要贡献使其两度获得高性能计算领域的最 高荣誉Gordon Bell奖。最 新的Anton3执行分子动力学模拟的速度比现有通用超 级计算机快1000倍以上,也就是说,过去1年才能算完的计算任务,Anton3只需要不到9个小时就可算完。

Relay公司早在2016年8月成立之初,就与D. E. Shaw研究所建立了合作关系,利用当时的Anton2超 级计算机,对药物靶点和成药小分子的结构进行分子动力学模拟和筛选设计,用实验+计算相结合的近乎降维打击的研发方法,一举实现了震惊行业的“壮举”。如果没有Anton2的帮助,Relay公司想要在18个月内就确认RLY-4008等药物的结构,无异于是痴人说梦。

Anton超 级计算机  已成为美国垄断全球制药霸权的新武器

Anton超 级计算机的出现,大大加速了美国生物计算行业的发展,Anton的计算先后扶持了Schrödinger和Relay这两家超10亿美金市值的制药上市公司。

目前,世界上仅有的几台Anton超 级计算机分别安置在匹兹堡超算中心和位于纽约市的D. E. Shaw研究所中。Anton的上机时间根据提交给美国国家科学院独立专家委员会的研究提案分配,只接受美国学术机构的使用申请,严格禁止中国等其他国家使用。

十余年来,Anton引领着美国制药领域的腾飞发展。显然,Anton超 级计算机已经成为了美国垄断全球制药霸权的新武器,期望在基础生命科学研究和生物制药领域遏制住中国的发展。在当前的国际形势之下,中国要想突破美国重重禁令,从美国那里得到Anton这样国宝级的超 级计算机,是不可能的任务。但是,中国的科学家和制药学家毫无疑问地迫切需要属于我们中国的Anton超 级计算机。究竟什么样的团队才能打造出Anton这样的传奇呢?

Anton超 级计算机到底是什么?什么团队才能发明它?

正如前文介绍的,Anton是一台特殊设计的、功能单一的专用超 级计算机,它的目的只有一个:令分子动力学模拟运算得更快。

在硬件上,它的芯片、主板、布线都由D. E. Shaw研究所特殊设计。通过特殊设计的专用芯片,尽可能减少数据的传输和运算,在芯片上分区域、分精度计算不同任务,突破制约分子模拟速度的瓶颈——原子间相互作用力的计算。与硬件相匹配的是软件,D. E. Shaw研究所也专门设计了适配Anton的动力学模拟软件Desmond。

什么团队才能发明Anton超 级计算机?答案是顶 级。

发明Anton超 级计算机的D. E. Shaw研究所是一家在David E. Shaw博士科学领导下运营的计算生物化学研究公司。

David E. Shaw博士是计算机领域顶 尖的“天才”级人物。他是斯坦福大学计算机博士,不到30岁就进入哥伦比亚大学任教,并开展大规模并行计算研究。之后他投身华尔街,加入摩根士丹利,利用计算机技术进行量化交易。1988年,David E. Shaw博士创办了以自己名字命名的对冲基金D. E. Shaw & Co,赚得盆满钵满,他本人也因在高频量化交易方面的先驱作用在1996年被《财富》杂志称为“King Quant”(量化投资王)。

我们从David E. Shaw博士的招聘审美中,也能间接体会到Anton超 级计算机研发团队的背景。

D. E. Shaw & Co.曾被《财富》杂志誉为“华尔街最引人入胜、最神秘的力量”。世界富翁、亚马逊的创始人贝索斯、知名对冲基金Two Sigma Investment的创始人John Overdeck和David Siegel、哈佛大学第27任校长,美国第71任财政部部长,世界银行首席经济学家Lawrence Summers都曾在D. E. Shaw & Co工作。

公开信息显示,2022年,D. E. Shaw & Co招聘的90多名实习生中,包括12位出版作家、8位辩论家、16位运动员、7位音乐家和5位国际奥林匹克数学奖得主,代表了来自世界各地的40多所学校和30多个研究领域。

美国的Anton禁令影响深远  中国迫切需要属于自己的Anton超 级计算机

当美国对中国实行严格的Anton禁令的同时,Anton自己却还在不断进化。在2021年11月14日,D. E. Shaw 研究所发布了第3代分子动力学模拟超 级计算机Anton3的论文,标志着分子动力学模拟从“微秒时代”进入“毫秒时代”。Anton3不仅比现有世界最快的分子动力学模拟超算Anton2快了10倍以上,更降维打击了世界上所有做分子动力学模拟的科研组、研究所、工业实验室,比使用了通用型CPU和GPU的超算快了100-1000倍!

要知道分子动力学模拟计算可以关系到药物研发、分子生物学、结构生物学、生物物理学等诸多领域,每个领域背后都是万亿GDP的大市场。这就意味着,随着时间的推移,没有自己的“Anton”的中国将在更多领域逐渐与美国拉开差距,Anton这样级别的大科学基础设施,将在国与国竞争中越来越发挥举足轻重的作用。中国需要不惜任何代价,尽快打造出属于自己的Anton超 级计算机。

在认识到客观差距的同时,我们也对“中国式创新”充满着信心。2018年在美国主动对中国挑起贸易战之际,《科技日报》曾做了一系列“卡脖子”报道,罗列了35项卡脖子技术,直面中国制造的伤心一面。仅仅5年后的2023年,就有基于公开资料查阅的统计报道,我国至少已经攻破了其中22项“卡脖子”技术。我们相信,中国创新力量将会突破一切封锁,也许在国内某个不为人知的角落,就有性能比肩Anton的创新种子正在萌芽。

让我们对中国拥有属于自己的Anton超 级计算机拭目以待。

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