基于CPU-MIC協(xié)同的高通量藥物虛擬篩選關(guān)鍵算法并行技術(shù)研究.pdf

1、藥物虛擬篩選是采用分子對(duì)接技術(shù)，針對(duì)某一靶標(biāo)的結(jié)構(gòu)，通過分子模擬的方式在化合物庫中尋找與靶標(biāo)結(jié)合較好的小分子，預(yù)測(cè)小分子的生理活性。當(dāng)突發(fā)性傳染病爆發(fā)時(shí)，能否迅速找出可用于治療新型急性傳染病的候選藥物至關(guān)重要。目前地球上約有3500萬已知結(jié)構(gòu)藥物化合物分子，在個(gè)人計(jì)算機(jī)上，完成針對(duì)單一蛋白靶標(biāo)的所有篩選工作需要十幾年，即使在天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)上使用目前的高通量方法，依然需要數(shù)十天。因此，必須開發(fā)出一款超高通量藥物虛擬篩選平臺(tái)，以應(yīng)對(duì)突發(fā)

2、性惡性傳染?。ū热绨２├?、MERS、SARS等）。本課題即是針對(duì)上述問題，聯(lián)合中科院上海藥物所，選取了一種通用藥物虛擬篩選軟件D3DOCKxb，針對(duì)其核心熱點(diǎn)部分LGA（Lamarckian Genetic Algorithm）算法進(jìn)行了深入并行優(yōu)化和大規(guī)模：首先，在實(shí)現(xiàn)了一種基于 CPU多核的通用高精度D3DOCKxb分子對(duì)接軟件。然后結(jié)合 Intel MIC眾核協(xié)處理器特點(diǎn)，進(jìn)行了基于CPU-MIC異構(gòu)體系的并行分子對(duì)接技術(shù)研究，在

3、保證算法精確度的前提下，首次實(shí)現(xiàn)了CPU-MIC協(xié)同的新型并行分子對(duì)接算法。最后還發(fā)出了一款基于天河二號(hào)的超大規(guī)模高通量藥物虛擬篩選平臺(tái)，該平臺(tái)具有良好的可擴(kuò)展性，可以在一天之內(nèi)完成地球上所有已知結(jié)構(gòu)藥物化合物分子的篩選，為應(yīng)對(duì)爆發(fā)性惡性傳染病的快速藥物研發(fā)提供了強(qiáng)大的計(jì)算模擬保障。本文主要包括以下三個(gè)方面的工作：
　　1. D3DOCKxb是中科院上海藥物所在國際通用分子對(duì)接軟件AutoDock4.2基礎(chǔ)上，加入了自主研發(fā)的基于

4、知識(shí)庫的新型打分函數(shù)XBPMF和基于量化的打分函數(shù) XBSco reQM，在包含鹵鍵的蛋白靶標(biāo)和藥物分子相互作用中，能夠獲得比主流對(duì)接軟件更加精確的對(duì)接結(jié)果。但是該軟件存在內(nèi)存分配不合理，打分函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算量較大，程序時(shí)空效率不高等問題。針對(duì)以上問題，本文對(duì)算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，提出了打分函數(shù)封裝、緩沖區(qū)替換IO、線程綁定、copyin原語替換等方法和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了LGA迭代算法的并行化，最終研發(fā)了一款基于CPU多核的通

5、用并行分子對(duì)接軟件，大幅提高了軟件的運(yùn)行時(shí)空效率。在天河二號(hào)的單個(gè)節(jié)點(diǎn)，D3DOCKxb獲得了近似線性加速比。
　　2.針對(duì)Intel MIC新型眾核協(xié)處理器體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在offload模式下，基于上述通用多核 D3DOCKxb軟件研發(fā)了一款 CPU-MIC協(xié)同的分子對(duì)接軟件。針對(duì)Inte l MIC的體系結(jié)構(gòu)和編譯器特性，提出了并行域合并、內(nèi)存復(fù)用、熱點(diǎn)函數(shù)向量化等并行優(yōu)化方法，大幅減少了CPU/MIC交互、內(nèi)存申請(qǐng)釋放、熱點(diǎn)

6、函數(shù)計(jì)算等時(shí)間，充分挖掘了MIC協(xié)處理器的并行加速能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單塊M IC卡上可以獲得12~18倍的加速比，天河二號(hào)上單節(jié)點(diǎn)（2 CPU+3 MIC卡），可以獲得超過50倍的加速比。
　　3.為了進(jìn)行大規(guī)模虛擬藥物篩選，程序必須具有較高的并行效率和良好的可擴(kuò)展性。因此我們研發(fā)了一個(gè)基于天河二號(hào)的大規(guī)模高通量藥物虛擬篩選平臺(tái)—--mD3DOCKxb，mD3DOCKxb包括一個(gè)新型高效的通信引擎。該引擎包含基于動(dòng)態(tài)任務(wù)劃分的負(fù)