Въведение
Folding@homescience
Протеинът се образува от дълги вериги. Протеинът е основното условие за биологично оцеляване. Като ензими те са движещата сила на всички биохимични реакции. Като основни компоненти на структурата, те са основните компоненти на нашите кости, мускули, коса, кожа и кръвоносни съдове. Като антитела те могат да разпознаят нахлуващите обекти и да накарат имунната система да работи, за да елиминира тези обекти. Затова учените са секвенирали човешкия геном – белтъчният план на биосферата – но как можем да разберем какво правят тези протеини? Как действат?
Свързано с проекта за човешка хромозома
Протеините играят толкова важна (първоначална) роля в биологията. Учените започнаха да разбират човешкия геном. Започнете да сортирате. Геномът всъщност е "план", свързан с протеините - геномът съдържа генетичния код (DNACode), който определя последователността от аминокиселини, нанизани в дълги протеинови вериги.
Причината за сгъването
Въпреки това самото познаване на последователността на генома не ни позволява да разберем напълно работата на протеина, да не говорим как работи. За да изпълняват функцията си (като ензими и антитела), те трябва да имат много специфична форма, известна още като "гънка (Fold)." Протеините са като невероятна машина: преди да започнат работа, те се сглобяват сами. Това самостоятелно сглобяване се нарича "Сгъване".
Една от целите на нашия проект е да имитираме сгъването на протеини, за да разберем как протеините се сгъват толкова бързо и надеждно и да разберем как да използваме свойствата на тези протеини, за да направим високомолекулни полимери.
Нагъване на протеини и свързани заболявания: луда крава, болест на Алцхаймер
Какво ще се случи, ако протеинът не е сгънат правилно? Например болестта на Алцхаймер (Alzheimer's), кистозната фиброза (Cysticfibrosis), болестта на лудата крава (MadCow, BSE), наследственият емфизем и дори много ракови заболявания са причинени от необичайно сгъване на протеини.
Когато протеинът се сгъва необичайно, той може да се агрегира („агрегира“). Тези агрегати често могат да се натрупват в мозъка, което сега обикновено се смята, че причинява болестта на Алцхаймер и луда крава.
Нагъване на протеини и нанотехнологии: създаване на наномащабни инструменти!
В допълнение към биомедицинските приложения, разбирането на сгъването на протеини също ще ни научи как да проектираме наши собствени „нано-инструменти“ с размер на протеин, за да изпълняваме подобни задачи. Разбира се, те също трябва да бъдат сглобени, преди наноинструментите да могат да изпълняват някакви задачи.
Сгъване на протеини
Най-изненадващото нещо е не само, че самите протеини могат да се сглобяват, сгъвайки се, но и че се сглобяват толкова бързо: някои протеини могат да се сглобяват в милиони Пълно самосгъване в рамките на част от секундата. Въпреки че това време е много бързо в човешкия график, то е доста дълго, ако се симулира с компютър. Всъщност отнема около един ден на компютъра да симулира 1 наносекунда (1/1 000 000 000 от секундата). За съжаление сгъването на протеини отнема десетки милисекунди (10 000 наносекунди) като график. По този начин ще са необходими 10 000 компютъра да прекарат няколко дни, за да имитират сгъване. ——Например, ще са необходими 30 компютъра за няколко години. Отнема твърде много време за чакане на резултат.
Отговор: динамика на разпространение
За да разрешим проблема с нагъването на протеините, трябва да преодолеем микросекундната бариера. Нашата група разработи нов начин за имитиране на сгъване на протеини - метод за "разбиване на работната единица на множество части и използване на множество процесори за симулиране", за да се преодолее бариерата от милисекунди. Следователно с 1000 процесора можем да преодолеем микросекундната бариера, за да помогнем да разберем мистерията как се сгъват протеините.
Какво направихме досега? Какво ще правим?
Folding@home1.0 е успешен. През годината от октомври 2000 г. до октомври 2001 г. използвахме нашия експериментален метод, за да сгънем някои малки и бързо сгъваеми протеини. Доразвиваме нашия метод и го разширяваме, за да имитираме сгъването на някои по-сложни и интересни протеини и проблема с „нормалното и анормалното сгъване на протеини“. Можете да научите повече от нашата страница с резултати.
Как работи
Folding@home не разчита на мощни суперкомпютри за изчисления. Вместо това основният принос са хиляди персонални компютри. Всеки участващ компютър е инсталиран с клиентска програма, която работи във фонов режим и извиква централния процесор за извършване на симулационна работа, когато системата не е заета. Понастоящем повечето персонални компютри в света рядко използват изчислителната си мощност при нормални обстоятелства. Folding@home е да използва тази пропиляна изчислителна мощност.
Клиентът на Folding@Home периодично ще се свързва със сървъра в Станфордския университет, за да получи „работни единици“, които са пакети с данни, които съхраняват експериментални данни и изчисляват въз основа на експерименталните данни. След като всяка единица работа бъде изчислена, тя се изпраща обратно на сървъра.
Софтуер за анализ
Клиентът на Folding@home използва модифицираните четири програми за молекулярна симулация на TINKER, GROMACS, AMBER и CPMD за извършване на изчисления и ще подлежи на разрешение Правете оптимизации за ускоряване на изчисленията. Тези четири симулационни програми също са модифицирани в множество различни версии за използване на множество операционни платформи. Вариантите на всяка програма ще бъдат класифицирани по серийния номер "Corexx".
Активно ядро
GROMACS
Gromacs (Core78)
Налично само за всички еднопроцесорни платформи.
DGromacs (Core79)
Версията с двойна точност на Gromacs използва само SSE2.
Налично само за всички еднопроцесорни платформи.
DGromacsB(Core7b)
Номинално това е актуализирана версия на DGromacs, но всъщност е ново ядро, базирано на изходния код на SMP/GPU версията. И двете се използват.
Версията с двойна точност на Gromacs използва само SSE2.
Налично само за всички еднопроцесорни платформи.
DGromacsC (Core7c)
Версията с двойна точност на Gromacs използва само SSE2.
Налично само за еднопроцесорни Windows и Linux платформи.
GBGromacs (Core7a)
GromacsSREM(Core80)
GroSimT(Core81)
Gromacs33 (Corea0)
Gro-SMP (Corea1)
GroCVS (Corea2)
GroGPU2 (Core11 и Core13)
Gro-PS3 (без номер, но също се нарича SCEARD Kernel)
КЕХЛИБАР
PMD (Core82)
Не е оптимизиран
Налично само за еднопроцесорни Windows и Linux платформи.
Ядрото е спряно
ТИНКЪР
Tinkercore (Core65)
Той е преустановен и се захранва от по-бързо подобно ядро, заменено от GBGromacs (Core7a).
Не е оптимизиран
Налично само за всички еднопроцесорни платформи.
ГРОМАЦИ
GroGPU (Core10)
CPMD
QMD (Core96)
Версия на интерфейса
Folding@homeConsoleversion е версията на интерфейса на версията на интерфейса на командния ред на Folding@home. Домакин е Pande Group от катедрата по химия на Станфордския университет. Той беше официално пуснат на 1 октомври 2000 г. Той може точно да симулира сгъване на протеини. И процесът на неправилно сгъване, за да се разберат по-добре причините и развитието на множество заболявания, Folding@home в момента е най-големият разпределен компютърен проект в света.
Поддръжка на платформа
Графичен процесор
За бързо изчисляване на ефекта на сгъване на протеините, той трябва да се извърши от процесор с високи изчислителни способности с плаваща запетая, а GPU има С предимствата на мощната изчислителна производителност с плаваща запетая, Folding@home също започна да разработва програми за GPU и да делегира задачите на GPU изчисления. На 2 октомври 2006 г. Folding@home пусна публично GPU тестова версия за Windows системи. По време на теста той получи 31TFLOPS изчислителна производителност, осигурена от 450 ATIX1900GPU. Средната изчислителна мощност на всяко ядро е повече от 70 от традиционния процесор. пъти. От 10 април 2008 г. стартира публичната бета версия на WindowsGPU от второ поколение. Новата версия поддържа сериите ATI/AMDHD2xxx и HD3xxx. Вече не е необходимо да комуникира с графичното ядро чрез интерфейса DirectX и поддържа множество GPU ядра. Версията за NVIDIAGPU използва CUDA технология, за да позволи на графичния процесор да извършва операции по сгъване на протеини. NVIDIA официално заяви, че само 0,1% от графичните карти в света, които поддържат CUDA, са необходими за извършване на операции, а производителността може да достигне 7PFLOPS, което далеч надхвърля изчислителното ниво на суперкомпютрите [6]. Беше пусната публична бета версия за NVIDIAGPU с активиран CUDA.
Station3
Sony се присъедини към проекта Folding@home. Започвайки с фърмуера на PS3 версия 1.6, той поддържа научното изчисление на проекта. Тъй като PS3 използва клетъчния процесор, той може да осигури мощна изчислителна производителност. Когато PS3 е неактивен, той ще стартира изчислителната програма, за да изчисли ефекта на сгъване на протеина и ще използва резултатите за изследване на различни нелечими болести. Когато процесорът CELL работи, ядрото на дисплея RSX на NVIDIA ще осигури триизмерен графичен дисплей в реално време на сгъване на протеини. Ефектът на графичния дисплей е добър, поддържа 1080p изход и HDR ефекти. Потребителят може да използва дръжката, за да контролира ъгъла на гледане.
PS3 някога предоставяше на Folding@home най-голямата изчислителна мощност. С въвеждането на софтуер за NVIDIAGPU, NVIDIAGPU замени PS3 и се превърна в основната сила на Folding@home. Към началото на септември 2008 г. участващите игрови конзоли PS3 осигуряват повече от 1200 TFLOPS изчислителна мощност за проекта, което представлява почти 35% от общата.
Многоядрени процесори
Тъй като се пускат все повече и повече различни стилове многоядрени процесори, все повече и повече софтуер поддържа многоядрени, PandeGroup също добави поддръжка за симетрия в Folding@home Multiprocessor (SMP ), надявайки се да подобри изчислителната мощност на софтуера. Използвайки MPI, софтуерът може да използва няколко ядра за извършване на операции едновременно.
Folding@home, който поддържа SMP, стартира бета тестова версия за x86-64Linux и x86MacOSX на 13 ноември 2006 г. Пробна версия за Win32 също беше пусната за 32-битов Linux. Версията на все още е в процес на разработка.
Консумация на енергия
Номиналната мощност на игрова конзола PlayStation3 е 380 W. Тъй като Folding@Home е проектиран за използване с процесор, това ще доведе до достигане на консумацията на енергия от хоста до 100%. Въпреки това, според често срещаните въпроси на Станфорд относно конзолите PS3, се посочва, че всяка конзола „когато стартира програмата, нейната очаквана мощност е около 200 W [7]“. Към края на май 2008 г. общо повече от 51 000 PS3 хоста са предоставили повече от 1400 TFlops изчислителна мощност за плана, а всяка PS3 осигурява средно близо 30 000 MFlops. Въз основа на 200 W изходна мощност на Станфорд на хост (използвайки 90nm процесор), се изчислява, че всеки ват изход осигурява повече от 150 MFlops [8]. Тъй като процесорът Cell на PS3 използва по-фини 65nm и 45nm процеси, консумацията на енергия на процесора ще бъде допълнително намалена и неговата изчислителна мощност на ват мощност също ще се увеличи