近日，瑞士創(chuàng)新企業(yè)FinalSpark公司發(fā)布了全球首款生物處理器，這一突破性技術(shù)利用人腦類器官中的生物神經(jīng)元進(jìn)行驅(qū)動，其功耗比傳統(tǒng)數(shù)字處理器低一百萬倍，引發(fā)了業(yè)界對“生物計算機(jī)”的廣泛關(guān)注。這里的“生物計算機(jī)”其實(shí)指的是利用人類神經(jīng)元進(jìn)行計算的新一代生物處理器，但是過去談及“生物計算”，人們更多指的是通過超級計算機(jī)提供加速、以生物大分子作為數(shù)據(jù)和研究對象的一個研究領(lǐng)域，至今已經(jīng)發(fā)展了幾十年。今天我們要介紹的主角，就是十幾年來在全球生物計算領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位、默默書寫著王者傳奇的專用超級計算機(jī)安騰Anton。
超級計算機(jī)安騰Anton于2007年由美國D.E. Shaw Research機(jī)構(gòu)推出，專注于生物計算領(lǐng)域的分子動力學(xué)模擬加速。由于超算安騰的“目標(biāo)專注”，它在執(zhí)行分子動力學(xué)模擬任務(wù)時甚至比通用超算Top500榜首的最強(qiáng)超算前沿 Frontier還要高出50倍以上。憑借其在高性能計算領(lǐng)域的出色表現(xiàn)，安騰超級計算機(jī)曾兩度榮膺高性能計算領(lǐng)域的最高榮譽(yù)——“ACM戈登貝爾獎”。
安騰超級計算機(jī) 圖片來源： David E Shaw研究所
為什么超算安騰可以做到如此驚人的計算效率？
中國科學(xué)院院士、北京航空航天大學(xué)教授錢德沛在接受《中國科學(xué)報》采訪時就曾談到，“美國D. E. Shaw研究所就用專門設(shè)計的ASIC芯片搭建了分子動力學(xué)模擬專用計算機(jī)（Anton），通過算法創(chuàng)新和軟硬件協(xié)同，在分子動力學(xué)模擬中獲得了比通用計算機(jī)高出百倍的計算能效，這是非常值得我們借鑒的。
超算安騰的前世今生：出身名門，專注分子動力學(xué)加速，為推動生物計算而生
安騰超級計算機(jī)（Anton）的發(fā)明者，大衛(wèi)·E. 肖（David E. Shaw），是美國量化投資領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，曾任奧巴馬政府科技顧問，同時也是亞馬遜創(chuàng)始人貝索斯的昔日上司?！陡２妓埂冯s志贊譽(yù)他為“量化投資之王”，其個人資產(chǎn)約為41億美元，位居全球財富榜300名。
David E Shaw博士 圖片來源： 網(wǎng)絡(luò)
在臨近五十知命之際，這位金融巨擘果斷轉(zhuǎn)型投身于生物計算。因為當(dāng)時David E. Shaw深刻認(rèn)識到，相較于金融，生物計算對社會的影響更為深遠(yuǎn)，更契合個人價值追求。他從朋友那里了解到，分子動力學(xué)模擬（molecular dynamics）能顯著加速從分子水平理解生命過程（biological processes），不僅推動基礎(chǔ)科學(xué)研究，還能加速諸如癌癥等重大疾病的藥物研發(fā)。
然而長久以來，分子動力學(xué)模擬因計算效率低下的問題，難以在業(yè)務(wù)場景中應(yīng)用。舉例來說，人體內(nèi)典型的大分子蛋白質(zhì)往往由幾十萬到上百萬個原子構(gòu)成，假設(shè)用分子動力學(xué)模擬方法計算模擬一個有著50萬原子的蛋白質(zhì)的0.001秒的瞬間動態(tài)，即使動用10000顆CPU并行計算，也需要耗費(fèi)超過100年的時間。
為突破這一技術(shù)難題，David E. Shaw利用他在金融市場積累的財富，首先組建了一支由全球最頂尖博士組成的精英隊伍。在當(dāng)年，他給每位博士開出的年薪高達(dá)10萬美元，這幾乎是常規(guī)科研崗位薪資的2-3倍。
David E. Shaw與團(tuán)隊的策略，是借助超算來解決計算效率低下的問題。
為什么選擇用超算來破局？這是因為超算具有極高的計算速度和處理能力，能夠在極短的時間內(nèi)處理龐大的數(shù)據(jù)和復(fù)雜的計算任務(wù)，一直用來解決解決復(fù)雜的科學(xué)、工程和商業(yè)問題。
而Shaw博士和他團(tuán)隊的創(chuàng)新之舉是，他們認(rèn)為術(shù)業(yè)應(yīng)有專攻，區(qū)別于通用超算的廣泛應(yīng)用場景，他們專門設(shè)計出了一款能夠?qū)ｉT應(yīng)用在生物計算場景，專注于分子動力學(xué)模擬加速的超級計算機(jī)——這便是安騰誕生的故事。
為了實(shí)現(xiàn)專用這一目標(biāo)，在硬件上，超算安騰的芯片、主板、布線都由D. E. Shaw研究所特殊設(shè)計。通過特殊設(shè)計的專用芯片，可以盡可能減少數(shù)據(jù)的傳輸和運(yùn)算，在芯片上分區(qū)域、分精度計算不同任務(wù)，突破制約分子模擬速度的瓶頸——原子間相互作用力的計算。與硬件相匹配的是軟件，D. E. Shaw研究所也專門設(shè)計了適配安騰的動力學(xué)模擬軟件Desmond。
于是，在2007年，這一群技術(shù)天才們終于研發(fā)成功，這臺專用超級計算機(jī)正式問世，并命名為安騰（Anton）。
安騰之名，取自“顯微鏡之父”安東·范·列文虎克（Anton van Leeuwenhoek），因為他制作了高精度光學(xué)儀器，并首次利用這些儀器觀察到各種各樣的生物體和細(xì)胞類型，開啟了對微觀世界探索的新紀(jì)元。超算安騰，正是對這份探索精神的傳承與超越，于計算領(lǐng)域中續(xù)寫探索微觀世界的新篇章。
超算安騰極大提升藥物研發(fā)效率 技術(shù)價值被資本市場高度認(rèn)可
在超算安騰問世后，它的技術(shù)價值真正被廣泛知曉，就是在2016年它幫助美國AI制藥公司Relay Therapeutics成功研發(fā)了一款治療膽管癌的藥物，一舉打破了藥物研發(fā)領(lǐng)域的“雙十”魔咒，即研發(fā)一款新藥的投入至少需要十年、十億美金以上。
2016年，Relay在超算安騰的支持下，對藥物靶點(diǎn)和成藥小分子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子動力學(xué)模擬和篩選設(shè)計，僅用18個月、不到1億美金就確認(rèn)了一款用于治療膽管癌的高選擇性FGFR2抑制劑藥物RLY-4008的結(jié)構(gòu)，并且順利進(jìn)入了美國FDA的臨床II期試驗，極大程度地縮短了從藥物發(fā)現(xiàn)到臨床前研究近90%的投入時間和成本。
為何超算安騰可以將藥物研發(fā)效率提升如此之高？
首先，Relay重塑了藥物研發(fā)的技術(shù)路徑，將行業(yè)內(nèi)對于蛋白質(zhì)靶點(diǎn)的理解從過去的靜態(tài)視圖轉(zhuǎn)變?yōu)榛诘鞍踪|(zhì)運(yùn)動的動態(tài)視圖，從傳統(tǒng)的基于蛋白質(zhì)靜態(tài)的藥物設(shè)計（Structure-based Drug Design，SBDD）轉(zhuǎn)向基于蛋白質(zhì)動態(tài)的藥物設(shè)計（Motion Based Drug Design(TM)，MBDD）。
圖片來源：Relay官方
同時，Relay開創(chuàng)性地構(gòu)建了基于運(yùn)動的藥物設(shè)計平臺——Dynamo Platform，該平臺集成了8種實(shí)驗技術(shù)（例如室溫晶體學(xué)等）和8種計算方法（例如分子動力學(xué)模擬等），用于落地Relay提出的MBDD藥物研發(fā)路徑。
在完成整個MBDD的過程中，Dynamo平臺的底層都是通過超算安騰來支撐進(jìn)行模擬計算。
除了確認(rèn)RLY-4008結(jié)構(gòu)的案例外，Relay還曾試圖研究野生型和突變型蛋白質(zhì)，并使用如室溫X射線和冷凍電鏡，然后再用超算安騰來模擬蛋白質(zhì)隨時間變化的影像。與其他藥物研發(fā)公司相比，Relay宣稱其模擬速度比他們快上100倍。 對于一個有100萬個原子基準(zhǔn)蛋白的衛(wèi)星煙草花葉病毒，在傳統(tǒng)硬件上（Nvidia V100）需要271天才能完成，而在超算安騰上只需要一天。
資本市場對Relay Therapeutics的高認(rèn)可度，也間接證明了超算安騰的技術(shù)價值。
Black Diamond與Relay Therapeutics同為專注于藥物小分子研發(fā)的平臺，并且兩者均僅有一個藥物進(jìn)入臨床一期候選階段，但在首次公開募股（IPO）當(dāng)天，兩者市場估值呈現(xiàn)出明顯差異。Black Diamond當(dāng)天市值12.24億美元，而Relay Therapeutics當(dāng)天市值是Black Diamond的兩倍多，為30.45億美元。
Relay Therapeutics之所以能贏得資本市場的如此青睞，是因為它與David E. Shaw研究所的簽署了獨(dú)家戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，協(xié)議約定，雙方將合力進(jìn)行特定靶點(diǎn)化合物的研發(fā)與商業(yè)化。雙方科學(xué)家需要在每一個項目上合作，充分利用David E. Shaw研究所的計算建模技術(shù)，尤其是通過安騰超級計算機(jī)來研究蛋白質(zhì)的動態(tài)行為，特別聚焦在藥物發(fā)現(xiàn)階段提出動態(tài)基礎(chǔ)假設(shè)和識別先導(dǎo)化合物。
可見，超算安騰不僅是生物計算領(lǐng)域的一項革命性創(chuàng)新，更是推動藥物研發(fā)進(jìn)入新時代的強(qiáng)力引擎。安騰超級計算機(jī)不僅代表了計算技術(shù)向?qū)I(yè)化的深度探索，預(yù)示著生物科學(xué)與計算科學(xué)交叉融合的無限可能，也證明了專注于細(xì)分領(lǐng)域的深度技術(shù)創(chuàng)新能夠帶來顛覆性的改變。未來，類似超算安騰這樣尖端科技將在加快疾病治療進(jìn)程、推動精準(zhǔn)醫(yī)療實(shí)踐方面扮演愈發(fā)重要的角色，持續(xù)鼓舞著科研工作者與企業(yè)勇闖科研無人區(qū)，不懈追求創(chuàng)新突破。
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