пресс-центр

Графические процессоры и библиотека BEAGLE помогают раскрывать секреты эволюции

Графические процессоры и библиотека BEAGLE помогают раскрывать секреты эволюции
Графические процессоры и библиотека BEAGLE помогают раскрывать секреты эволюции

Примечание редактора: Это одна из пяти публикаций, рассказывающих о финалистах премии NVIDIA Global Impact Award 2017 с призовым фондом в $150 000. Она присуждается исследователям, использующим технологии NVIDIA в принципиально новых проектах, решающих социальные, гуманитарные и экологические проблемы.

Натуралист Чарльз Дарвин (Charles Darwin) совершил на экспедиционном корабле королевского флота «Beagle» кругосветное путешествие, которое помогло ему раскрыть основные принципы эволюционного процесса. Спустя почти два века другой BEAGLE помогает ученым справляться с «узкими местами» исследований сложных генетических данных, позволяя углубить наше понимание живого мира и, возможно, спасти чьи-то жизни.

BEAGLE 21 века (расшифровывается как Broad-platform Evolutionary Analysis General Likelihood Evaluator) - это открытая библиотека, использующая графические процессоры NVIDIA. Скорость, с которой программное обеспечение обрабатывает данные, является ключевым моментом анализа биологических последовательностей, например, ДНК. Она несет в себе генетический материал живых организмов и множества вирусов, включая те, что вызывают СПИД, грипп и лихорадку Эбола.

Благодаря быстрым и точным вычислениям, BEAGLE стала важнейшим компонентом программного обеспечения, которое используют ученые, занимающиеся изучением истории эволюции живых организмов. Такая область науки, как филогенетика, занимается исследованием всех организмов, начиная от бактерий, вызывающих чуму, до изучения того, как мимулюсы адаптировались к разным географическим регионам.

Майкл Каммингс (Michael Cummings), профессор из Института современных компьютерных исследований при Университете штата Мэриленд, и его коллега Дэниэл Айрес (Daniel Ayres), специализирующийся на проектировании ПО, возглавили разработку BEAGLE.

Мимулюс
Мимулюс
 

Благодаря своей работе они попали в число пяти финалистов премии NVIDIA Global Impact Award 2017. Ежегодная премия в $150000 вручается исследователям, использующим технологии NVIDIA в принципиально новых проектах для решения социальных, гуманитарных и экологических проблем.

Благодаря быстрым и точным вычислениям, BEAGLE стала важнейшим компонентом программного обеспечения, которое используют ученые, занимающиеся изучением истории эволюции живых организмов. Такая область науки, как филогенетика, занимается исследованием всех организмов, начиная от бактерий, вызывающих чуму, до изучения того, как мимулюсы адаптировались к разным географическим регионам.

Развитие вычислительных систем

Каммингс впервые задумался об использовании графических процессоров для филогенетического анализа в 2003 году, однако зарождающиеся в тот момент платформы для разработки не подходили для этой задачи. Но в 2007 году появилась архитектура NVIDIA CUDA, GPU стали использовать для высокопроизводительных вычислений и был основан Национальный научный фонд – все это способствовало рождению BEAGLE.

Работа с огромными, требовательными к вычислительным ресурсам наборами данных, которые используются в филогенетическом анализе, отнимает очень много времени и часто заходит в тупик. Имея возможность получать результаты быстрее, у исследователей больше шансов помочь медицинским учреждениям реагировать на угрозы здоровью населения.

Филогенетические отношения описывают предполагаемые эволюционные отношения между различными биологическими видами. Вспомните Дарвина, который искал связи между разновидностями зябликов, обитающих на разных островах. Исследователи используют BEAGLE для понимания эволюционной динамики организмов, которые иначе могли бы казаться несвязанными.

Вирус Эбола
Вирус Эбола

Высочайшая производительность

Теперь, благодаря высочайшей производительности BEAGLE на GPU, ученые могут использовать более сложные модели и более крупные наборы данных. Это улучшает качество выводов, к которым они приходят, и позволяет добиться их за меньшее время.

«BEAGLE используется для выведения истории эволюции вирусов гриппа и Эбола, - рассказал Камминг. - Это позволяет ученым выяснять географию и время их вспышек».
Библиотека BEAGLE является частью портала CIPRES Science Gateway, общественного ресурса для филогенетического анализа. Вычислительная инфраструктура этого ресурса включает в себя кластер, оснащенный графическими ускорителями NVIDIA Tesla K20.

В своей последней работе команда Каммингса использовала графические карты Tesla K40 и Quadro P5000. Они используют большое число процессорных ядер для эффективного распараллеливания вычислений во время реализации новых расчетных методов.

Вспышки заболеваний

Некоторые из наиболее широко используемых программ в области эволюционной биологии уже используют библиотеку BEAGLE. Благодаря этому она доступна для тысяч ученых, работающих над изучением таких вирусов, как ВИЧ, вирус денге и ящура.

Исследования включают распространение вируса денге в Бразилии, многочисленные эпизоды вспышек полиовирусов в Нигерии и глобальные эпидемии резистентных к лекарственным средствам бактерий, вызывающих гастроэнтерит

Также BEAGLE использовалась для изучения характеристик вирусов гриппа свиней в Северной Америке, взаимоотношений миграции водоплавающих птиц с гриппом в Корее и динамики бешенства, перенесенного летучими мышами-вампирами, в Аргентине. Это всего лишь несколько примеров использования библиотеки в исследованиях среди популяций животных.

Летучая мышь-вампир
Летучая мышь-вампир

«BEAGLE используется в различных исследованиях, которые вносят большой вклад в наше понимание эволюции и биологии и могут играть определенную роль в информированном принятии решений, - объяснил Айрес. - Производительность, которую обеспечивают GPU, особенно важна в эпидемиологии, где приходится выяснять характеристики агентов быстро распространяющихся болезней».

Теперь Каммингс и Айрес сосредоточены на более полном использовании возможностей мощной архитектуры NVIDIA Pascal и следующей архитектуры Volta, чтобы найти способы дальнейшего повышения производительности своего решения. Помощь в разработке BEAGLE оказали такие представители научного сообщества, как Марк Сушард (Marc Suchard), профессор из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, и Эндрю Рамбо (Andrew Rambaut), профессор из Эдинбургского университета.

Победитель премии NVIDIA Global Impact Award 2017 будет объявлен на конференции по GPU-технологиям, которая пройдет с 8 по 11 мая в Кремниевой долине. Зарегистрироваться для участия можно на сайте проведения GTC.

Среди других финалистов NVIDIA Global Impact Award 2017 - Индийский технологический институт Гувахати.

Ознакомьтесь с работой прошлогоднегопобедителя премии Global Impact Award.

AI Podcast: Глубокое обучение дает возможность услышать голоса птиц, считавшихся вымершими

Если вы интересуетесь тем, как пересекаются технологии и биология, этот эпизод AI Podcast заслуживает вашего внимания. Мы беседовали с директором Conservation Metrics Мэттью МакКоуном (Matthew McKown) о том, как методы глубокого обучения помогли обнаружить птицу, которая считалась вымершей, и как алгоритмы искусственного интеллекта с ускорением на GPU помогают биологам обрабатывать огромные объемы данных и делать открытия, которые были невозможны ранее.

Вирус Эбола