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如何用算力发展生物医药领域新质生产力?安腾超算的经验值得借鉴

2024-03-25 15:16 · 稿源: 站长之家用户

近日,最 新一期《求是》杂志上刊发了国家数据局党组书记、局长刘烈宏的署名文章《加快构建全国一体化算力网,推动建设中国式现代化数字基座》,其中明确指出“数字经济时代,算力是新质生产力”,再次引发了全 网关于推动算力基础设施化的议论热潮。

新质生产力是以科技创新为主导、实现关键性颠覆性技术突破而产生的生产力。在今年两会公布的政府工作报告中,2024年政府工作十大任务的第 一项就是“大力推进现代化产业体系建设,加快发展新质生产力”。文章指出,“全球主要发达国家加快推进算力战略布局,纷纷抢占算力竞争制高点,以新材料、生物制药、基因技术、金融科技、深海空天等为代表的前沿科技和未来产业,都对算力基础设施提出了比较罕见的需求。”在前述的时代发展背景下,通过加强我国的算力基础设施建设,无疑是加快发展新质生产力的重要抓手。

只不过,算力基础设施的建设不能只关注“量”的增长,而忽略了“质”的提升。如何定义算力的“质”当然可以有很多角度,如果单单从“算力是新质生产力的视角”出发,我们认为算力的“质”的高低,最终还要看它应用到具体产业后,能够在多大程度上推动产业的关键性颠覆性技术突破。如果仅仅看算力需求的增长,而不看算力的增长对于解决具体产业中遇到的实际问题的价值提升,那么讨论算力的“质”也只是空中楼阁。

那么具体来说,算力究竟应该如何在相关应用领域中发挥新质生产力的作用呢?

我们以生物医药行业中的创新药产业来举例。生物医药是关系国计民生、经济发展和国家安全的战略性新兴产业,目前全球主要大国都在争相发力布局。今年我国的政府工作报告也明确将创新药列为需要积极培育的新兴产业和未来产业。在这个以创新为主导的赛道里,无疑是加快形成新质生产力的重要阵地。

传统的新药研发兼具周期长、投资高、风险大的特点。据不完全统计,每一款创新药物从最早实验室阶段到最终上市平均需要10年以上时间和10亿美金以上的研发投入;并且可能导致药物研发失败的因素有很多,即便是通过了动物试验的候选药物,都有89%在人体临床试验阶段失败,可能1万个实验室的候选药物活性化合物里才能有1个走到最终成功上市。

来源:互联网

2016年前后,一家来自美国的制药公司Relay Therapeutics在这样的“游戏规则”中走出了一条新的道路。作为一家成立不久的初创公司,Relay仅用18个月、不到1亿美金就确认了一款胆管癌治疗药物RLY-4008的结构,并且顺利进入了美国FDA的临床II期试验,极大程度地缩短了从药物发现到临床前研究近90%的投入时间和成本,并且根据Relay公开的临床数据,使用了推荐剂量RLY-4008的胆管癌患者的整体缓解率高达88.2%。受益于RLY-4008等药物管线研发的亮眼表现,Relay于2020年7月登陆纳斯达克,成为全球第二家上市AI药物研发公司。

Relay为什么能够成功?通过公开资料深入研究Relay的新药研发技术路线,可以发现Relay有一套与许多传统药企都不太相同的研发思路,从研发早期的药物发现阶段就引入了生物计算的研究方法,借助高性能计算机的强大算力来对药物分子与靶点的结合进行计算模拟,从而极大减少了传统实验方法不管在时间还是研发投入上的试错成本。

图片来源:Relay官方

而为Relay提供高性能算力的是一台名为“安腾”(Anton)的分子动力学专用超 级计算机。安腾超算由美国D. E. Shaw研究所于2007年首 次发布,它几乎凭借一己之力让美国生物计算领域的发展领先了世界十年。使用安腾超算进行分子动力学模拟问题的计算时,算力的效率可以轻松达到传统超算的100-10000倍,比目前全球最 强的超算Frontier还要快上50倍以上。

安腾超算和这个所谓的分子动力学模拟的计算,究竟是怎么帮到Relay实现研发效率突破的呢?

概括来说,分子动力学的模拟计算可以帮助药物研发人员直接看到蛋白质运动的动态“影片”。如果不采用计算和算力的方案,只能通过传统的显微镜来观察蛋白质,即便用上最 先进的冷冻电子显微镜,得到的也只是蛋白质的一张张静态“照片”。不过,要得到有效的“蛋白质影片”,并不像我们想象中那么容易。在安腾超算问世以前,传统的计算机或超算中心在计算分子动力学模拟的相关问题时,遇到了极其显著的计算效率瓶颈问题,哪怕是一个算力效率达到每秒十亿亿次的顶 尖超算中心(世界前 十水平),正常情况下计算一个类似新冠病毒大小的大分子仅仅1毫秒运动的动态影片,都需要数十年时间。安腾超算针对性地对分子动力学模拟的计算做了软件和硬件上的优化,最终竟然可以实现在短短十几天里得到前述的计算结果,从数十年缩短到十几天。

通过安腾超算有效获取的海量“蛋白质影片”信息,显著帮助了Relay的药物研发团队加快发现药物靶点口袋、设计易于结合的小分子等。通过将超算安腾的澎湃算力,转化成对药物靶点和成药小分子的结构进行的分子动力学模拟和筛选设计,Relay这才得以将蛋白质的结构和运动的深刻理解应用于药物发现,从而使得他们在一众老牌制药公司中杀出重围,一鸣惊人。

可见,Relay配合超算安腾的组合,通过计算加速实验的思路,创新性地为药物发现的效率问题提供了一个全新的解题思路,并且毫无疑问的,在这个实验结合计算的全新的研发范式中,超算安腾提供的卓越算力性能是其中最为关键的“生产要素”。如果结合新质生产力的内核来解读,这样的创新尝试完全契合了新质生产力中“质”的内涵,即强调把创新驱动作为生产力的关键要素,以关键性颠覆性技术突破为产业创造生产力跃升的客观条件。

工欲善其事,必先利其器。目前,国内医药行业的原始创新能力相较国外来说整体发展相对还是偏弱,整体采取的研发技术路线主要还是以传统实验方法为主,同时国内创新药企业还面临研发投入大、风险与回报失衡、靶点集中、同质化竞争严重等问题。在这样的发展背景下,效仿国外Relay和安腾超算组合的创新研发模式,积极引入算力作为新质生产力对于创新药研发产业的刺激作用,很可能是一条适合我们弯道超车的发展路线。

不过,在当前的国际竞争环境下,美国显然会对中国在相关领域的发展上做出限制。据悉,世界上仅有的几台安腾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。安腾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。

而纵观国内的专用超算发展情况,目前似乎还没有出现类似复现美国安腾超算技术路线的专用超算解决方案。中国科学院院士、北京航空航天大学教授钱德沛在接受媒体采访时曾谈到,“美国D. E. Shaw研究所就用专门设计的ASIC芯片搭建了分子动力学模拟专用计算机(Anton),通过算法创新和软硬件协同,在分子动力学模拟中获得了比通用计算机高出百倍的计算能效,这是非常值得我们借鉴的。”像安腾超算这样特殊设计、功能单一的专用超算,虽然没有办法像通用超算一样在规模、集群峰值算力等指标上刷新记录,但是它仅仅只是专注解决一类专用算力的性能提升,就可以为新药研发这样万亿级GDP的市场打开无限的可能性,为一个国家在生物医药领域创造了一代人的发展机遇。

在生物医药领域,我国的创新药研发企业,急切需要像安腾超算这样优质的新质生产力工具,这样级别的大科学基础设施,将在尖 端科技领域和战略性新兴产业的竞争中越来越发挥举足轻重的作用。而为算力找到更多这样能够直接促生产业新质生产力的应用场景,也是我国算力行业高质量发展的必由之路。

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