近年來，傳統的基于結構（structure-based）的設計方法已經逐漸達到其極限，使得用于藥物研究和發現的資本開支呈指數級增長。因而，對于藥物設計領域來說，基于運動（ motion-based）的藥物設計方案，即分子動力學模擬，堪稱業界最激動人心也最具創新性的進步之一。而分子動力學模擬的實現，則對算力有極高的要求。

在過去，只有大型超級計算機才有能力為分子動力學計算提供足夠的算力。但是致力于提供“專用超算”解決方案的雪湖科技，希望打破這個瓶頸，開發出一種比傳統超級計算機性能更高而且成本更低、能效更高的解決方案。

基于FPGA的分子動力學專用引擎

如上所述，為了促進醫學的發展，藥物研發已進步到分子層面。在這個層面上，科學家能夠更加深入地理解分子和生物過程的作用，解開它們運動的奧秘。

雪湖科技生命科學計算首席科學家盛楠博士表示：“就像破案時‘看監控錄像’遠比‘看現場照片’要容易捕捉作案細節一樣，分子動力學模擬讓藥物設計人員更直接的‘看到’藥物分子的整個生效過程，從而大幅提高新藥研發的成功率”

成立于2017年的上海雪湖科技公司，是一家致力于高性能計算產品研發與解決方案的創新企業。該公司主要為生命科學、石油天然氣勘探、自動駕駛、分布式存儲和其他相關領域提供創新型專用高性能計算解決方案和產品。

雪湖科技設計并研發的“Yaddle MD”是一個基于FPGA的分子動力學專用引擎。這是一種在賽靈思 Alveo? 加速卡上實現的分子動力學計算專用解決方案， 其借助賽靈思運行時庫 （XRT） 通過分子動力學專用API為常用的分子動力學軟件和其他分析插件提供兼容性支持。

圖 1 – 藥物研究與發現過程中使用的分子動力學計算

從性能上看，雪湖科技Yaddle MD FPGA分子動力學專用引擎運行在Alveo加速器卡上，比僅用CPU的分子動力學軟件方案高近50倍，比使用GPU加速的分子動力學軟件方案高兩倍，如圖 2所示。與此同時，FPGA 的功耗僅為CPU的2/3， GPU 的2/9，為此使得Yaddle MD每度電可以提供的模擬量是CPU的近100倍，GPU的近10倍。

圖 2 –雪湖科技Yaddle MD FPGA分子動力學專用引擎與競爭解決方案相比，性能更高且能耗更低

自適應Alveo 加速器卡的價值

由于復雜算法演進的速度已經遠遠超越了芯片的設計周期，因此功能固定的 GPU和ASIC 器件無法跟上發展節奏。基于賽靈思16nm UltraScale?架構而構建的賽靈思 Alveo 加速器卡，專為滿足瞬息萬變的現代數據中心需求而設計，面向機器學習推斷、視頻轉碼、數據庫搜索和分析等常見工作負載，可提供比 CPU 高達 90 倍的性能。

Alveo U200 加速器卡

Alveo 加速器卡為打造Yaddle MD提供了獨特的可重配置加速功能，不僅能夠支持其靈活適應算法的持續優化，而且還能在支持任意類型工作負載的同時，降低總擁有成本。

Yaddle MD借助Alveo U200 加速器卡實現了超高性能的FPGA 分子動力學算法，能夠執行非常復雜的計算。基于單張 Alveo 卡，Yaddle MD就可實現比使用CPU 和 GPU 處理器更高的性能，提供此前只有超級計算機才能提供的強大算力，從而可以大幅加速生物分子的動力學模擬速度。

借助Yaddle MD ，助力用戶可以實現：

·在單片FPGA 上實現完整的分子動力學計算，從而釋放大量CPU資源

·實現原子間相互作用的分布式式流水線計算，顯著提高計算性能

·編碼原子之間的鍵合信息，并在實時計算過程中對其進行解碼

·通過工具集為常用的分子動力學軟件和其他分析工具（包括格式轉換）提供兼容性支持

盛楠博士表示：“高性能是確保分子動力學計算高效和精準的關鍵，雪湖科技基于Alveo 的高性能分子動力學專用引擎，不僅能為客戶節省大量時間成本，而且讓基于動力學的藥物設計由不可能變為可能”。

目前，雪湖科技的 Yaddle MD引擎已經開始通過阿里云提供MD加速服務，其基于 Alveo 卡的加速方案也正在小規模對外開發測試中。與此同時，雪湖科科技的創新步伐還在繼續，其計劃未來將通過多個Alveo設備結合的形式繼續擴展仿真能力，進一步為分子動力學計算應用提速并擴大吞吐量。