GPU как вычислительная платформа для Нобелевских открытий

Оригинал: https://blogs.nvidia.com/blog/2017/10/04/nobel-physics-chemistry-gpu/

Не каждый день GPU помогают исследователям получить Нобелевскую премию. На этой неделе графическим процессорам удалось это сделать дважды!

В понедельник трое американских физиков — Рейнер Вайс, Бэрри Бэриш и Кип Торн — удостоились высокой награды за обнаружение гравитационных волн, существование которых более ста лет назад предсказал Альберт Эйнштейн.

Во вторник международная команда химиков — Жак Дюбоше, Йоахим Франк и Ричард Хендерсон — получила премию за развитие криоэлектронной микроскопии, которая позволяет получать подробные изображения белков, ответственных за работу внутренних механизмов клетки.

Эти достижения позволили еще ближе подойти как к разгадке тайн космоса, так и к пониманию загадок человеческого тела.

Микромир

Нобелевская премия присуждена методу, который называется криоэлектронная микроскопия (Cryo-EM), в работе которого графические процессоры применяются для ускорения вывода изображений и построения макромолекулярных 3D структур. С помощью метода Cryo-EM ученые могут замораживать движение молекул и получать их изображение в атомарном разрешении. Это позволило впервые получить возможность наблюдать за многими биологическими процессами.

С помощью метода Cryo-EM ученые получают огромное количество изображений высокого разрешения. Для получения и обработки 3D изображений используется GPU-ускоряемая программа RELION (REgularisedLIkelihoodOptimisatioN) с открытым исходным кодом.

Метод Cryo-EM уже помогает ученым лучше понимать болезни, чтобы, например, создавать действенные лекарства. С помощью этого метода исследователи изучают структуру белков, вызывающих устойчивость к антибиотикам, воспроизводят 3D структуру фермента, связанного с болезнью Альцгеймера, а в прошлом году этот метод помог в изучении переносимого комарами вируса Зика.

Данный метод помог команде лауреатов премии в определении структуры белков, связанных с биологическими часами человека. Именно этот прорыв и был отмечен Нобелевской наградой по медицине 2017. В 2015 году журнал NatureMethods назвал Cryo-EM «методом года».

Структура алкоголь-оксидазы, визуализированная с помощью Cryo-Em. Изображение предоставлено Дж. Вонком, Д. Парсеем и Д. Миллсом.

Макромир

Нобелевская премия по физике 2017 ставит точку в многолетних попытках обнаружить гравитационные волны. Их существование было предсказано более века назад, но только недавно они впервые были зарегистрированы с помощью лазерного интерферометра.

Гравитационные волны — рябь в море пространства и времени — вызывают такие события, как, например, слияние черных дыр. Возможность зафиксировать эти волны является ключом к лучшему пониманию Вселенной. Во время объявления лауреатов премии Нобелевский комитет назвал это «открытием, которое потрясло мир».

Вычислительной платформой для открытия опять же стали графические процессоры, которые обрабатывали данные, поступающие из обсерваторийLIGO в Ханфорде, Вашингтоне и Ливингстоне, что и сделало возможным фиксацию первых гравитационных волн в 2015 году.

Не успели ученые запустить передовую обсерваторию LIGO, как вибрации, исходящие от массивной пары сливающихся черных дыр, вызвали реакцию датчиков в Ливингстоне и Вашингтоне, заставив их на пятую долю секунды изменить высоту звука («чирикнуть»). Волнам понадобилось 1.3 млрд лет, чтобы достичь датчиков LIGO.

Помимо доказательства ключевого элемента теории относительности Эйнштейна, это открытие породило новое направление в астрономии, основанное на изучении гравитационных волн. С момента первого открытия волн в 2015 году в LIGO были обнаружены три другие гравитационных волны, и все они спровоцированы слиянием черных дыр.

Смоделированная компьютером модель показывает слияние двух черных дыр — это событие впервые зарегистрировала обсерватория LIGO. Изображение получено в рамках проекта Simulating eXtreme Spacetimes.

Подробнее о Cryo-EM, RELION и GPU мы расскажем в рамках вебинара 18-го октября в 21-00 по московскому времени. Присоединяйтесь!