2010年NVIDIA GTC大会现场报道

Klaus Schulten博士的精彩演讲——GPU在生物科学方面的应用

随着科学技术的快速发展，人类在生命科学中不断研究和探索，从分子结构到原子结构，再到纳米结构。为了更加了解生命过程中细胞的物理过程，我们的手段从传统的显微镜，到电子显微镜，再到现在的计算显微镜，以方便人类更加直观地观察和模拟细胞的物理过程。基于强大的计算能力之上的计算生物科学，将给我们带来生命科学的新契机。

目前，显微镜被广泛应用到生物科学中，科学家利用计算显微镜来观察生物细胞，模拟细胞的物理化学过程。这需要具备强大并行计算能力的计算机辅助，因此，计算机的并行计算能力直接影响了生物科学中的研究能力。目前，GPU被广泛应用到各行各业中，这也包括生物科学研究领域。

病毒的感染过程

● 脊髓灰质炎病毒感染过程（Polioriurs infection）

脊髓灰质炎病毒（Poliovirus，或称为脊髓灰白质炎病毒）是脊髓灰质炎（小儿麻痹）的病原，又称小儿麻痹病毒，是一个没有外壳的病毒，由一条单股RNA组成。人类和猴子都容易受这种病毒的感染。病毒在感染后的细胞内复制成熟后，就会在短期内一次释放大量的病毒，使得被感染的细胞死亡，释放出来的病毒又会感染其他细胞，又开始新一轮的感染周期，直到所有容易感染的细胞都被感染并死亡。

图1：模拟病毒感染的过程是非常耗费资源的

如果要弄清楚整个复杂的物理过程，就需要构建一亿量级的单位物理模型，并经过长时间的模拟运行，才能真正得到这个物理过程。这个模拟过程的计算量大得惊人，无疑适合并行计算能力强大的GPU去运行（图1）。

●病毒衣壳力学

乙型肝炎病毒（Hepatitis B virus）又被称作乙肝病毒（HBV），属于DNA病毒。就目前科学研究的成果来看，HBV只对人类和猩猩有易感性，容易引发乙型病毒性肝炎疾病。完整的乙肝病毒成颗粒状，分为外壳和核心两部分，直径约为42纳米。灰色菱形为采用原子力显微镜得到的物理实验结果，绿色圆形为计算机模拟下的结果（图2）。

图2：通过计算机模拟的方式得到的结果很真实

这里通过计算机模拟的方式得到的结果几乎和原子力显微镜实验中得到的结果完全吻合。在这种情况下就可以通过模拟的方式对病毒进行分析，从而更加清晰地了解整个病毒物理作用的过程。

光合作用过程

这里展示的紫色光合作用细菌，原理是光转化为电，ADP（二磷酸腺苷）转化为ATP（三磷酸腺苷）。需要采用静电场计算并且使用多级求和法（图4），这要求具备千万量级计算能力的单位进行模拟，需要进行大规模并行计算，原子越多，模拟的过程和时间越长（图3）。

图3：采用GPU加速的模拟过程可以提高25.5倍的速度，可以节省10倍的能源。

在目前主流的CPU上计算大约需要1小时10分钟。而如果利用具备并行处理计算能力强悍的GPU进行运算的话，时间会大大缩小。而且整个三维模型可以很好地跟GPU的三维架构的线程模型进行匹配，能大限度利用GPU计算的能力。采用基于G80架构的3块GPU就可以在大约90秒钟内模拟完成，并可以达到拥有线性时间复杂度，且比其他方法有更高的灵活性。

图4：利用GPU进行运算的话，效率会大大提升。