近些年,美國不斷對(duì)中國科技行業(yè)“卡脖子”,對(duì)關(guān)鍵技術(shù)出口實(shí)施嚴(yán)格管控政策,竭盡全力減緩中國在尖端科技的崛起速度。
一談到“卡脖子”技術(shù),我們總是會(huì)率先想到芯片、光刻機(jī)、傳感器等大眾耳熟能詳?shù)募夹g(shù),但是在那些更少被人們關(guān)注到的領(lǐng)域里,同樣存在許多左右大國競(jìng)爭(zhēng)的不可忽視的關(guān)鍵技術(shù)。今天我們要談的就是一臺(tái)由美國壟斷的名為“Anton”的專用超級(jí)計(jì)算機(jī),它以一己之力讓美國統(tǒng)治了全球的生物計(jì)算和制藥霸權(quán)十余年之久。而中國在病理研究和制藥相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者們,苦于基礎(chǔ)研究工具性能的絕對(duì)差距,始終難以真正追趕上美國的腳步。
為了講清Anton計(jì)算機(jī)的故事,首先我們還是先從一家成立僅僅8年的美國制藥公司Relay開始說起。
全球制藥效率難題 為何能被美國Relay公司突破?
我們知道,傳統(tǒng)的藥物研發(fā)在成本、效率和成功率上都面臨著巨大挑戰(zhàn)。醫(yī)藥研發(fā)領(lǐng)域存在一個(gè)經(jīng)典說法:“10年+10億美金”,即一款新藥的研發(fā)至少需要“10年”的投入和“10億美金”的花費(fèi)。新藥的研發(fā)不僅周期漫長(zhǎng)、成本高昂,而且成功率低,據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),在2000年至2015年間開發(fā)的候選藥物中,預(yù)估有86%未能達(dá)到預(yù)設(shè)的研究終點(diǎn)。即便是全世界最大的生物醫(yī)藥公司,也需要在這條高投入、長(zhǎng)周期、高風(fēng)險(xiǎn)的獨(dú)木橋上小心翼翼地前行。
不過2016年,一家名為Relay Therapeutics的精準(zhǔn)藥物研發(fā)公司橫空出世,僅用18個(gè)月、不到1億美金,就確認(rèn)了一款用于治療膽管癌的高選擇性FGFR2抑制劑藥物RLY-4008的結(jié)構(gòu),并且根據(jù)Relay公布的臨床二期數(shù)據(jù),該藥物的客觀緩解率(ORR)達(dá)到88.2%,疾病控制率(DCR)達(dá)到100%。此外,Relay還擁有另外兩款已經(jīng)推進(jìn)到臨床開發(fā)階段的管線產(chǎn)品,以及超過5個(gè)處于藥物發(fā)現(xiàn)階段的項(xiàng)目,涵蓋精準(zhǔn)腫瘤學(xué)和遺傳疾病。以上種種成就,不禁讓全球制藥行業(yè)為之側(cè)目:究竟一家成立短短幾年的公司是怎么做到如此高產(chǎn)的呢?
相信大家也猜到了,背后真正的原因就是我們今天故事的主角——Anton超級(jí)計(jì)算機(jī)。
Relay在藥物發(fā)現(xiàn)的過程中運(yùn)用了一種“分子動(dòng)力學(xué)模擬”的計(jì)算科學(xué)研究方法。分子動(dòng)力學(xué)模擬是一種用計(jì)算機(jī)模擬蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的運(yùn)動(dòng)的研究方法,可以幫助人們直觀“看到”生物大分子的動(dòng)態(tài)構(gòu)象變化。
簡(jiǎn)單理解來說,目前最先進(jìn)的冷凍電子顯微鏡也只能拍到蛋白質(zhì)的一張張靜態(tài)“照片”,但是通過分子動(dòng)力學(xué)模擬,卻可以直接看到蛋白質(zhì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)“影片”。基于“蛋白質(zhì)影片”的信息,我們將更容易發(fā)現(xiàn)藥物靶點(diǎn)口袋、設(shè)計(jì)易于結(jié)合的小分子等。Relay通過基因組數(shù)據(jù)、計(jì)算科學(xué)和實(shí)驗(yàn)科學(xué)的深度融合,將蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的深刻理解應(yīng)用于藥物發(fā)現(xiàn),這才使得他們?cè)谝槐娎吓浦扑幑局袣⒊鲋貒⒁圾Q驚人。
不過問題自然就來了,為什么過去的巨頭制藥公司不用這種方法呢?
其實(shí),答案并不是他們不想用,而是用不了——一直以來,分子動(dòng)力學(xué)模擬方法始終都因?yàn)閲?yán)重的計(jì)算效率瓶頸,導(dǎo)致無法產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。人體內(nèi)典型的大分子蛋白質(zhì)往往由幾十萬到上百萬個(gè)原子構(gòu)成,假設(shè)我們用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法計(jì)算一個(gè)50萬原子的蛋白質(zhì)運(yùn)動(dòng)0.001秒的“影片”,哪怕用上1000顆主流CPU并行計(jì)算,都需要耗費(fèi)超過100年的時(shí)間,很顯然,不可能有任何一個(gè)制藥公司會(huì)“傻”到用分子動(dòng)力學(xué)模擬來做藥。
只是當(dāng)時(shí)沒有人想到,Anton超級(jí)計(jì)算機(jī)的出現(xiàn),讓不可能變?yōu)榱丝赡堋?/p>
Anton超級(jí)計(jì)算機(jī)是美國D. E. Shaw研究所于2007年首次發(fā)布的分子動(dòng)力學(xué)模擬專用超級(jí)計(jì)算機(jī),并且在2013年和2021年分別發(fā)布了第2代和第3代的產(chǎn)品,其非凡的性能及其對(duì)科學(xué)和制藥研究的重要貢獻(xiàn)使其兩度獲得高性能計(jì)算領(lǐng)域的最高榮譽(yù)Gordon Bell獎(jiǎng)。最新的Anton3執(zhí)行分子動(dòng)力學(xué)模擬的速度比現(xiàn)有通用超級(jí)計(jì)算機(jī)快1000倍以上,也就是說,過去1年才能算完的計(jì)算任務(wù),Anton3只需要不到9個(gè)小時(shí)就可算完。
Relay公司早在2016年8月成立之初,就與D. E. Shaw研究所建立了合作關(guān)系,利用當(dāng)時(shí)的Anton2超級(jí)計(jì)算機(jī),對(duì)藥物靶點(diǎn)和成藥小分子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬和篩選設(shè)計(jì),用實(shí)驗(yàn)+計(jì)算相結(jié)合的近乎降維打擊的研發(fā)方法,一舉實(shí)現(xiàn)了震驚行業(yè)的“壯舉”。如果沒有Anton2的幫助,Relay公司想要在18個(gè)月內(nèi)就確認(rèn)RLY-4008等藥物的結(jié)構(gòu),無異于是癡人說夢(mèng)。
Anton超級(jí)計(jì)算機(jī) 已成為美國壟斷全球制藥霸權(quán)的新武器
Anton超級(jí)計(jì)算機(jī)的出現(xiàn),大大加速了美國生物計(jì)算行業(yè)的發(fā)展,Anton的計(jì)算先后扶持了Schr?dinger和Relay這兩家超10億美金市值的制藥上市公司。
目前,世界上僅有的幾臺(tái)Anton超級(jí)計(jì)算機(jī)分別安置在匹茲堡超算中心和位于紐約市的D. E. Shaw研究所中。Anton的上機(jī)時(shí)間根據(jù)提交給美國國家科學(xué)院獨(dú)立專家委員會(huì)的研究提案分配,只接受美國學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的使用申請(qǐng),嚴(yán)格禁止中國等其他國家使用。
十余年來,Anton引領(lǐng)著美國制藥領(lǐng)域的騰飛發(fā)展。顯然,Anton超級(jí)計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為了美國壟斷全球制藥霸權(quán)的新武器,期望在基礎(chǔ)生命科學(xué)研究和生物制藥領(lǐng)域遏制住中國的發(fā)展。在當(dāng)前的國際形勢(shì)之下,中國要想突破美國重重禁令,從美國那里得到Anton這樣國寶級(jí)的超級(jí)計(jì)算機(jī),是絕對(duì)不可能的任務(wù)。但是,中國的科學(xué)家和制藥學(xué)家毫無疑問地迫切需要屬于我們中國的Anton超級(jí)計(jì)算機(jī)。究竟什么樣的團(tuán)隊(duì)才能打造出Anton這樣的傳奇呢?
Anton超級(jí)計(jì)算機(jī)到底是什么?什么團(tuán)隊(duì)才能發(fā)明它?
正如前文介紹的,Anton是一臺(tái)特殊設(shè)計(jì)的、功能單一的專用超級(jí)計(jì)算機(jī),它的目的只有一個(gè):令分子動(dòng)力學(xué)模擬運(yùn)算得更快。
在硬件上,它的芯片、主板、布線都由D. E. Shaw研究所特殊設(shè)計(jì)。通過特殊設(shè)計(jì)的專用芯片,盡可能減少數(shù)據(jù)的傳輸和運(yùn)算,在芯片上分區(qū)域、分精度計(jì)算不同任務(wù),突破制約分子模擬速度的瓶頸——原子間相互作用力的計(jì)算。與硬件相匹配的是軟件,D. E. Shaw研究所也專門設(shè)計(jì)了適配Anton的動(dòng)力學(xué)模擬軟件Desmond。
什么團(tuán)隊(duì)才能發(fā)明Anton超級(jí)計(jì)算機(jī)?答案是頂級(jí)、全球超級(jí)頂級(jí)。
發(fā)明Anton超級(jí)計(jì)算機(jī)的D. E. Shaw研究所是一家在David E. Shaw博士科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)下運(yùn)營的計(jì)算生物化學(xué)研究公司。
David E. Shaw博士是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域頂尖的“天才”級(jí)人物。他是斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)博士,不到30歲就進(jìn)入哥倫比亞大學(xué)任教,并開展大規(guī)模并行計(jì)算研究。之后他投身華爾街,加入摩根士丹利,利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行量化交易。1988年,David E. Shaw博士創(chuàng)辦了以自己名字命名的對(duì)沖基金D. E. Shaw & Co,賺得盆滿缽滿,他本人也因在高頻量化交易方面的先驅(qū)作用在1996年被《財(cái)富》雜志稱為“King Quant”(量化投資之王)。
我們從David E. Shaw博士的招聘審美中,也能間接體會(huì)到Anton超級(jí)計(jì)算機(jī)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的背景。
D. E. Shaw & Co.曾被《財(cái)富》雜志譽(yù)為“華爾街最引人入勝、最神秘的力量”。世界富翁、亞馬遜的創(chuàng)始人貝索斯、著名對(duì)沖基金Two Sigma Investment的創(chuàng)始人John Overdeck和David Siegel、哈佛大學(xué)第27任校長(zhǎng),美國第71任財(cái)政部部長(zhǎng),世界銀行首席經(jīng)濟(jì)學(xué)家Lawrence Summers都曾在D. E. Shaw & Co工作。
公開信息顯示,2022年,D. E. Shaw & Co招聘的90多名實(shí)習(xí)生中,包括12位出版作家、8位辯論家、16位運(yùn)動(dòng)員、7位音樂家和5位國際奧林匹克數(shù)學(xué)獎(jiǎng)得主,代表了來自世界各地的40多所學(xué)校和30多個(gè)研究領(lǐng)域。
美國的Anton禁令影響深遠(yuǎn) 中國迫切需要屬于自己的Anton超級(jí)計(jì)算機(jī)
當(dāng)美國對(duì)中國實(shí)行嚴(yán)格的Anton禁令的同時(shí),Anton自己卻還在不斷進(jìn)化。在2021年11月14日,D. E. Shaw 研究所發(fā)布了第3代分子動(dòng)力學(xué)模擬超級(jí)計(jì)算機(jī)Anton3的論文,標(biāo)志著分子動(dòng)力學(xué)模擬從“微秒時(shí)代”進(jìn)入“毫秒時(shí)代”。Anton3不僅比現(xiàn)有世界最快的分子動(dòng)力學(xué)模擬超算Anton2快了10倍以上,更降維打擊了世界上所有做分子動(dòng)力學(xué)模擬的科研組、研究所、工業(yè)實(shí)驗(yàn)室,比使用了通用型CPU和GPU的超算快了100-1000倍!
要知道分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算可以關(guān)系到藥物研發(fā)、分子生物學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、生物物理學(xué)等諸多領(lǐng)域,每個(gè)領(lǐng)域背后都是萬億GDP的大市場(chǎng)。這就意味著,隨著時(shí)間的推移,沒有自己的“Anton”的中國將在更多領(lǐng)域逐漸與美國拉開差距,Anton這樣級(jí)別的大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施,將在國與國競(jìng)爭(zhēng)中越來越發(fā)揮舉足輕重的作用。中國需要不惜任何代價(jià),盡快打造出屬于自己的Anton超級(jí)計(jì)算機(jī)。
在認(rèn)識(shí)到客觀差距的同時(shí),我們也對(duì)“中國式創(chuàng)新”充滿著信心。2018年在美國主動(dòng)對(duì)中國挑起貿(mào)易戰(zhàn)之際,《科技日?qǐng)?bào)》曾做了一系列“卡脖子”報(bào)道,羅列了35項(xiàng)卡脖子技術(shù),直面中國制造的傷心一面。僅僅5年后的2023年,就有基于公開資料查閱的統(tǒng)計(jì)報(bào)道,我國至少已經(jīng)攻破了其中22項(xiàng)“卡脖子”技術(shù)。我們相信,中國創(chuàng)新力量將會(huì)突破一切封鎖,也許在國內(nèi)某個(gè)不為人知的角落,就有性能比肩Anton的創(chuàng)新種子正在萌芽。
讓我們對(duì)中國擁有屬于自己的Anton超級(jí)計(jì)算機(jī)拭目以待。
