Цели работы:
- исследование производительности, энергопотребления и эффективности нового и перспективного вычислительного оборудования
- разработка оригинальных параллельных алгоритмов и применение технологий программирования для увеличения производительности или переносимости вычислительных кодов
- мониторинг и статистических анализ нагрузки суперкомпьютеров для выработки рекомендаций по более эффективному использованию
- изучение метастабильных и экстремальных состояний вещества
- построение моделей вязкости жидких углеводородов и смесей с предсказательной силой
- изучение процессов стеклования, в том числе металлических стекол
- поиск новых биологически активных соединений, действующих на биомембраны и мембранные белки и выявление молекулярного механизма их функционирования;
- разработка перспективного пептида с антимикробной активностью, взаимодействующего с липидом-II в бактериальной мембране, определение молекулярных аспектов распознавания лантибиотиком низином его мишени;
- исследование вопросов селективности пептидных блокаторов ионных каналов из природных ядов;
Используемые методы
- Для оценки характеристик суперкомпьютера используются искусственные тесты и модельные задачи на основе реальных зачетов. Telegraf и Графана использованы для анализа нагрузки суперкомпьютеров, исходные данные для анализа получены через три технологии мониторинга RAPL, IPMI и SNMP. Для улучшения переносимости пакета LAMMPS использована платформа гибридного программирования ROCm HIP.
- В задачах материаловедения используется молекулярная динамика с широким набором потенциалов, включая специфичные ClayFF, COMPAS, OPLS, ReaxFF, а также моделирование квантовой структуры на базе теории функционала плотности в программных пакетах VASP и CP2K.
- В биологических исследованиях использовано моделирование по гомологии, молекулярная динамика с параметризациями для биологических систем (Gromos 43a2, Amber), предсказание структуры белков de novo на основании метода молекулярного гидрофобного потенциала
Эмпирическая база исследования
Тесты производительности (бенчмарки) были выполнены на новом суперкомпьютере ВШЭ, на кластерах Десмос и Фишер, включая узлы с погружной системой охлаждения. В биологических исследованиях использовались экспериментальные результаты лаборатории ИБХ.
Результаты работы
Были выполнены тесты производительности нового суперкомпьютера ВШЭ для оценки базовых характеристик и на реальных расчётных программах, включая классическую молекулярную динамику и расчет электронной структуры. Тесты интерконнекта показали преимущество Infiniband EDR с точки зрения пропускной способности и при размере пакетов больше 8 КБ в обменах MPI. По задержке новый суперкомпьютер уступает кластеру Десмос, на котором наш коллектив ранее проводил такие тесты. Минимальное время задержки составляет 0.92 мкс. Апробирован одновременный запуск разных по типу нагрузки (GPU или CPU) задач на узлах, например VASP и задачи машинного обучения на 4 узлах. Показано, что такой подход позволяет увеличить общую эффективность использования ресурсов при снижении производительности каждого отдельного расчета.
Была рассмотрена и опробована новая платформа для программирования портируемых гибридных вычислений AMD ROCm HIP. Использование этой платформы готовит лабораторию к использованию перспективных вычислительных систем 2021 года. В рамках работы универсальный пакет молекулярной динамики LAMMPS был портирован на эту платформу. Использование этой платформы помимо улучшения переносимости позволяет увеличить производительность на оборудовании AMD на ~5% благодаря снижению накладных расходов, присутствующих у OpenCL.
Одинаковые системы мониторинга и аналитики мощности и потребляемой энегии был внедрены на трех типах вычислительных узлов: гибридном суперкомпьютере с воздушным охлаждением, на CPU сегментах кластера Фишер с воздушным охлаждением и с жидкостным охлаждением. Тестирование с использованием модельного примера молекулярно-динамической задачи показывает избыточное потребление системы с воздушным охлаждением, по сравнению с погружным охлаждением системы в среднем на 30% или 1,4 кВт. Мы обнаружили минимум общего потребления энергии для тестовой задачи на CPU системe.
Разобраны аспекты работы клиентских узлов и файлового хранилища параллельных файловых систем с RDMA-сетями. Исследование кода сетевой подсистемы файловой системы BeeGFS позволило выявить перспективы её оптимизации и переработки с использованием оптимизированной библиотеки для работы с различными сетями.
Квантовомеханическое моделирование разогретого плотного водорода показало широкую область метастабильных состояний в области температур от 700 до 1000 К. Наличие этих метастабильных состояний может быть причиной расхождений экспериментов по определению фазовой диаграммы водорода в ударно-волновых экспериментах и в статических измерениях в алмазных наковальнях. Методом атомистического моделирования исследованы вязкости жидких углеводородов и смесей. Получены правила смешения, позволяющие оценить вязкость смесей из вязкости чистых веществ, что важно для задач моделирования углеводородных пластов. При помощи сложной ангармонической модели взаимодействий COMPASS рассчитана вязкость углеводорода до давления 10 тыс. атм. Вплоть до давлений 6 тыс. атм. результаты согласуются с экспериментальными измерениями в пределах 2%. Полученные данные позволяют говорить о предсказательных возможностях моделирования в задачах определения свойств материалов. На основе молекулярно-динамических и Монте-Карло расчетов получено подтверждение теории перколяции в применении к сети водородных связей в жидкой и сверхкритической воде. Получено, что количество водородных связей у молекулы воды подчиняется биномиальному распределению в гораздо более широком диапазоне температур и плотностей, чем предполагалось ранее. В молекулярно-динамических расчетах исследованы процессы старения стекол и влияния отжига и периодических тепловых воздействий на свойства аморфного состояния. Показано, что тепловые воздействия могут как уменьшать, так и увеличивать энергию стекла. Отжиг с приложением внешнего напряжения может приводить к "обновлению" структуры стекла, т.е. к накоплению областей с неравновесной структурой, в отличие от классического отжига, при котором структура переходит к более равновесному состоянию.
Описаны молекулярные детали белок-белковых и белок-липидных взаимодействий, лежащие в основе работы важнейших мембранных белков и рецепторов: гликофорина А, рецепторов фактора роста эпидермиса, рецептора инсулина, рецептора тромбоцитарного фатора роста, нейраминидазы-1. Показано, что точечные мутации наравне со свойствами мембранного окружения влияют на стабильность и функционирование мембранных белков клетки. Основываясь на этих результатах, мы предложили прототип пептида - “перехватчика” - модулятора димеризации нейраминидазы
Для низина найдена конформация “ловушки”, описывающая ключевой момент узнавания его мишени в бактериальной мембране – липида II. Результат будет использован в разработке новых антибиотиков.
Методом рационального дизайна получен новый пептид Tk-hefu 2, обладающий повышенной активностью по отношению к ионному каналу Kv 1.3, что доказывает возможность создания новых биологически активных соединений на основании данных атомистического моделирования.