タンパク質の構造と機能の予測のための計算資源提供型広域計算

广域计算为预测蛋白质结构和功能提供计算资源

基本信息

批准号：
14019067
负责人：
網崎孝志
金额：
$ 2.11万
依托单位：
Tottori University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
2002
资助国家：
日本
起止时间：
2002 至无数据
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-14019067/
关键词：
GRID 専用計算機分子動力学計算高速多重極法

项目摘要

分子動力学計算やモンテカルロ法は、タンパク質の構造と機能の解析/予測のための手法として期待されているが、その膨大な計算量が実用化の障害となっている。本研究の目的は、分子動力学計算向けの強大な計算資源を有する計算サイトを構築し、その計算パワーを遠隔地のタンパク質科学者に提供するような、計算資源提供型のGRIDシステムのプロトタイプを製作することである。本年度は、そのような計算資源の実体である専用計算クラスタを開発し、また、Globus ToolkitとNinf-Gを利用して、遠隔計算のための予備実験をおこなった。分子動力学計算のボトルネックは二体相互作用求値にあるが、そのための高速アルゴリズムと専用計算ボードを併用するような計算ユニットのクラスタにより、専用計算サイトのプロトタイプを構築した。計算クラスタは単体で、通常の高速PCの16〜23倍の性能を達成した(計算ボード3枚装着の場合)。このユニット4台から成るクラスタをLAMを用いて構築したが、5万原子程度のタンパク質-水系に対して、精密なMD1ステップを1.6秒で実行できた(各ユニットには2枚の計算ボードを装着)。GRID化の試みとして、予備実験的な計算サイトを構築した。Ninf-Gを利用して、「相互作用提供型」システムを構築した結果、5万原子5ピコ秒のシミュレーションを遠隔地からおよそ17000秒で実行できた。オンサイト計算に比べ、4倍程度に延長したが、通常のPCに比べ数倍以上高速であった。また、Globus I/Oを利用する「単一MD提供型」コンポーネントを開発した。この場合は、前述のシミュレーションを4010秒で実行でき、遠隔計算によるオーバーヘッドはわずか5%であった。

分子动力学计算和蒙特卡罗方法作为分析和预测蛋白质结构和功能的方法很有前景，但其巨大的计算复杂性阻碍了其实际应用。这项研究的目的是建立一个具有强大计算资源的计算站点，用于分子动力学计算，并开发一个 GRID 系统的原型，该系统提供计算资源，为远程位置的蛋白质科学家提供计算能力。今年，我们开发了专用计算集群，作为此类计算资源的实质，并利用Globus Toolkit和Ninf-G进行了远程计算的初步实验。分子动力学计算的瓶颈在于二体相互作用值的确定，我们使用高速算法和专用计算板的计算单元集群构建了专用计算站点的原型。仅计算集群的性能就达到普通高速PC（安装三块计算板时）的16至23倍。使用 LAM 构建了由四个此类单元组成的集群，可以在 1.6 秒内对约 50,000 个原子的蛋白质-水系统执行精确的 MD1 步骤（每个单元配备了两个计算板）。。作为GRID的尝试，构建了初步的实验计算站点。通过使用 Ninf-G 构建“提供交互”的系统，我们能够在大约 17,000 秒内从远程位置运行 50,000 个原子和 5 皮秒的模拟。虽然比现场计算的时间长了四倍左右，但比普通PC快了好几倍。我们还开发了一个使用 Globus I/O 的“单 MD 提供类型”组件。在这种情况下，上述模拟可以在 4010 秒内运行，由于远程计算而只有 5% 的开销。