2020 HPCwire Awardsが表彰する、注目すべきCOVID-19研究

11月のSC20の期間中、HPCwire Readers’and Editors’ Choice Awardsプログラムは、ハイパフォーマンスコンピューティングにおける卓越した業績を称える17年目を迎えた。しかし、例年とは異なり、SCはCOVID-19パンデミックによる安全性への懸念から、バーチャルで実施された。

HPCwireの賞は、オンラインで発表されただけでなく、新しいカテゴリーである「Best Use of HPC in Response to Societal Plights」を取り入れたことで、今年も大きく変化したように感じた。この新しいカテゴリーの初年度は、パンデミックが発生した瞬間から現在の課題に至るまで、医師、科学者、研究者がHPCを使用してパンデミックに立ち向かう無数の方法を称えている。

新しいカテゴリーに加えて、COVID-19関連の研究がさらに4つのカテゴリーで5つの賞を受賞し、5つのカテゴリーで合計8つの賞を受賞した。産業界、学界、政府にまたがる受賞者たちは、医学研究者、政策立案者、個人がウイルスを理解し、感染拡大を防ぐための対策を講じるのに貢献し、このビデオと下記の記事でその功績を称えている。

ハードウェアの提供

パンデミックの影響で、医学や疫学の研究者が一年を通して直面していた非常に困難な計算タスクに取り組むために、HPC リソースが前例のないほどの大規模な結集を余儀なくされた。この分野で最も早く動き出したのは、市民科学者から提供された計算能力を集約したクラウドソーシング型の研究コンピューティングサービスであるFolding@homeである。Folding@homeは、何百万人ものボランティアのCPUとGPUのおかげで、パンデミックの間に歴史的なレベルのアグリゲートパワーを達成し、そのパワーを使ってSARS-CoV-2の重要なタンパク質の動きをシミュレーションした。この作業により、Folding@homeは、社会的窮状への対応におけるReaders’ Choice Award for Best Use of HPCを受賞した。

「Folding@homeのコミュニティ全体を代表して、この賞を受賞できたことを嬉しく思います」とFolding@homeのディレクターであるGreg Bowmanは述べた。「3ヶ月足らずで100万以上の新しいデバイスがFolding@homeプロジェクトに参加しました。これにより、私たちはウイルスからあらゆる可能性のあるタンパク質の可動部分を理解し、大きな構造変化を捉えることができました。」

世界のトップのスーパーコンピュータである富岳もまた、早くから登場していましたが、同じようにはいかなかった。442 Linpackペタフロップスで最新のTop500リストのトップに立ったこの巨大なマシンは、しばらくの間、登場する予定ではなかったのだ。しかし、日本の理化学研究所の研究者たちは、その記録的なパワーを使ってCOVID-19の広範な研究を行うために、予定より1年も前倒しで起動することに成功した。それ以来、「富岳」は、ウイルスの飛沫がどのようにマスクやフェイスシールドを通過し、密集した空間でどのように広がるかを詳細にシミュレーションするなどの成果を生み出してきた。この早起きマシンとそのオペレータは、社会的窮状への対応におけるEditors’ Choice Awards for Best Use of HPCで2つの賞を受賞している。

理研のマスク効果シミュレーションからの静止画。理化学研究所による提供画像。

一方、民間部門では、AMDとパートナー企業が「COVID-19 HPC Fund」で、残りの社会的窮状に対応するEditors’ Choice Award for Best Use of HPCを受賞した。授賞時に、同基金は、COVID-19の研究を行っている20以上の組織に12ペタフロップスのクラウドおよびオンプレミス・コンピューティング・リソースを提供していた。

おそらく最も大規模なスーパーコンピューティング調整の努力は、COVID-19 HPC コンソーシアムからのものだ。米国エネルギー省(DOE)、IBM、およびホワイトハウス科学技術政策局(OSTP)が主導したこの大規模なコラボレーションは、数十社の主要なパートナーを組織し、パンデミックに取り組む研究者にスーパーコンピューティングリソースを割り当てた。COVID-19 HPCコンソーシアムは、Editors’ Choice Award for Best HPC Collaborationを受賞した。

「これは非常にやりがいのある経験でした」とDOEのプログラムマネージャーであるBarb HellandはHPCwireに語った。「この取り組みに参加し、OSTP、DOEラボ、NSF、NASAセンターが、大学や米国の業界と非常に迅速に連携するのを見ることができたこと…私たちの能力を使ってCOVID-19への対応を理解し、解決策を見つけるのに役立つためには、手を取り合う以上のことはありませんでした。」

ウイルスを理解する – そして病気を理解する

一部の研究者は、ウイルスのあらゆる形態を理解することに重点を置いていた。英国では、National Health Serviceが他の公衆衛生機関、Wellcome Sanger Institute、および十数社の学術パートナーと協力して、COVID-19 Genomics UK (COG-UK) コンソーシアムを結成しました。このコンソーシアムは、DDN、Dell、Lenovoのハードウェアを使用して、英国のCOVID-19陽性症例から得られた数万のサンプルのリアルタイムシーケンスを実施した。COG-UKコンソーシアムは、Readers’ Choice Award for Best HPC Collaborationを受賞しました。

	正常な血管（上）と過剰なブラジキニンの影響を受けた血管（下）を比較。Jason Smith/ORNLによる提供画像

他の研究機関は、ウイルスの物理的構造を理解するだけでなく、この病気が患者にどのように現れているかについて重要な研究を行った。オークリッジ国立研究所では、COVID-19に感染した患者の細胞の遺伝子を非感染患者の細胞の遺伝子と比較し、COVID-19が誘導する「ブラジキニンの嵐（致死的なウイルスによって引き起こされるより奇妙な症状のいくつかを説明することができる現象）」の兆候を明らかにした。この重要な発見により、オークリッジの研究者は、Editors’ Choice Award for Top HPC-Enabled Scientific Achievementを受賞した。「COVID-19の病態モデルがスーパーコンピューティングや科学界に大きな影響を与えていることを本当に嬉しく思っています」とORNLの計算システム生物学担当チーフサイエンティストであるDan JacobsonはHPCwireに述べた。

治療のためのハンティング

コンピューティングリソースが手元にある状態で、パンデミックの初期段階で最も重要で、計算量的に困難な作業の一つは、数十億から数十億の分子をスクリーニングして、SARS-CoV-2 の主要タンパク質（主に悪名高いスパイクタンパク質）との相互作用や阻害を確認することだった。ハーバード大学医学部では、研究者たちがGoogle Cloud上でVirtualFlowを実行し、史上最大規模のインシリコ薬物スクリーニングを実施した。約 7,500 万 CPU 時間を使用したこの研究は、クラウドにおける Readers’ Choice Award for Best Use of HPCを受賞した。

同様に、オークリッジ国立研究所では、研究者たちが米国で最も強力な公的にランク付けシステムであるSummitスーパーコンピュータを使用して、潜在的な薬物分子の大規模なスクリーニングを行った。その結果、COVID-19に対して治療に利用できる可能性のある77の低分子が特定され、ライフサイエンスにおけるReaders’ Choice Award for Best Use of HPCを受賞した。

詳細はこちら – そして今後の展望は

今年のHPCwire Readers’ and Editors’ Choice Awardの受賞者の詳細については、ここで受賞者のプレゼンテーションと受賞ビデオをチェックすることができる。また、この記事で取り上げた、受賞したCOVID-19研究を特集したHPCwireのビデオもお忘れなく。

今年も終わりを迎えようとしているが、パンデミックはまだ終わっていない。スーパーコンピュータがCOVID-19感染の大規模なスパイクを食い止め、限られたワクチンの投与量を配布する上で重要な役割を果たしているため、HPCwireでは、コンピュータによるウイルスとの戦いについて取材を継続している。公衆衛生と医薬品開発におけるHPCの成長し続ける役割について、さらなる学びに乞うご期待。