全球超级计算机联手应对新冠疫情——为何此类合作对应对未来突发事件至关重要

Image: ORNL and Carlos Jones
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  • 疫情期间,新冠肺炎高性能计算(HPC)联盟免费向致力于抗击新冠肺炎的研究人员开放了全球最强大的计算机。

  • 新冠疫情表明,全球协作的力量巨大,也表明我们需要提前应对全球性威胁。

  • 组建一个由同行推荐的专家领导的特别全球联盟,负责评估并应对干旱、地震、小行星或其他致命疾病等未来的全球风险和突发事件。

3月,新冠肺炎已席卷亚洲、欧洲和美国,全世界陷入难以置信的境地。这种病毒的致死性远超我们在现代所面对的任何疾病,传播速度也快得多。在应对过程中,我们再次感到惊讶,因为我们以前所未有的速度开发出了新能力,建立了新伙伴关系。其中一些举措可能会塑造全球合作在后疫情时代应对风险的方式。

我们必须将疫情期间所学的经验更广泛地加以应用,并设立一个新的国际组织:科学准备储备库。它将评估风险,并帮助应对未来的全球突发事件,包括另一种致命病毒、超级火山喷发、核电站事故等等。这样一来,一旦灾难发生,我们就不会在慌乱中束手无策,而是已经做好准备,能够迅速行动、挽救生命。

一个迅速组建的全球联盟如何抗击新冠肺炎

目前一个成功的倡议是新冠肺炎高性能计算(HPC)联盟。该联盟是一个具有国际影响力的美国组织,正免费向致力于抗击新冠肺炎的研究人员提供一些全球最强大的计算机。已有60多个科学家团队依靠这些计算资源开展工作,并且每周都有新的研究人员加入。该联盟的成员还与欧洲高级计算合作伙伴关系(PRACE)开展合作,后者是一个汇聚大西洋彼岸超级计算合作伙伴的组织。两个机构的研究人员定期交流数据、思路和成果。

IBM超级计算发展史Image: IBM

该联盟是一个在政府支持下的公私合作伙伴关系,为与时间赛跑的研究人员解决关键问题。要快速取得成果,现代科学往往需要计算能力的助力,例如在开发新药时筛选数千种潜在分子设计,或模拟病毒在第二波或第三波疫情中的传播。通常,研究人员若要使用超级计算机的计算能力,需要提交申请,并等待数周甚至数月才能获得使用权限。此外,这还需要政策制定者的支持,才能突破典型的官僚障碍。

新冠肺炎高性能计算联盟正是在提供这样的支持。杜克大学生物医学工程师阿曼达·兰德尔斯(Amanda Randles)领导的一个团队,为一种可将呼吸机分配给两名或更多患者使用的新设备开发了气流模拟。为完成这项工作,该团队需要超过50万计算小时;通过该联盟,他们与一台特定的超级计算机进行了匹配,并在短短六周内完成了原本可能需要数月才能完成的研究。科学家们刚刚将研究结果提交美国食品药品监督管理局(FDA)以待批准。

兰德尔斯团队的成果并非该联盟唯一的成功案例。英国人工智能初创公司PostEra的研究人员使用另一台超级计算机,搭建了一个众包平台,供全球科学家提交药物设计方案。该团队收到了5000多份提交,并在短短几天内完成了处理,而如果没有该联盟的支持,他们本无法做到这一点。在过去两个月中,他们将设计方案缩减至约200个,并在实验室中进行了测试。他们发现,有21种分子似乎能有效作用于新冠病毒关键蛋白的靶点。下一步,他们将确保该药物在用于人体之前具有适用性,而这正是药物研发周期中最关键的环节。

合作如何助力应对未来危机

令人印象深刻的是,成立该联盟并让所有合作伙伴就基本规则达成一致,只用了不到一周时间。我们迅速组建了项目评审和匹配委员会,以批准项目,并为每个团队找到最合适的超级计算合作伙伴。该联盟证明,我们知道如何迅速调动全球人才来解决全球性问题。我相信,这种模式可以再次实现,并且可以在更广泛的范围内应用于未来的突发事件。

我与哈佛大学天文系主任阿维·勒布(Avi Loeb)共同就此阐述了我的想法,即如何扩展该联盟的理念,建立一个新机构,即科学准备储备库。这个由同行推荐的专家领导的团体,将评估并应对未来的全球风险和突发事件。它将由科学家运营,汇聚各领域专家,能够应对小行星撞击、特大干旱、强烈地震、火山喷发或另一种更加致命的疾病所带来的后果。

“我们知道如何迅速调动全球人才来解决全球性问题。我相信,这种模式可以再次实现,并且可以在更广泛的范围内应用于未来的突发事件。”

达里奥·吉尔(Dario Gil)

这样的机构可以释放技术能力。至关重要的是,该机构将确保科学家始终能够获得他们所需的技术(例如超级计算机,或许不久后甚至是量子计算机),而这些技术原本难以获取,却是应对和预防未来突发事件所必需的。其目标是评估风险,并整理出一套在未来具有价值的具体科学能力清单,同时为政府、卫生系统、应急服务机构、经济学家、其他研究人员、媒体和公众提出建议。

SRR取得成功的关键在于,提交项目的研究团队与学术界或产业界的其他科学家,或特定领域的组织(例如,在大流行病的情况下,世界卫生组织)实现对接。产业界、学术界和政府之间的此类战略伙伴关系,可以大幅加快研发速度,并通过数据和思想的交流促进创新,因而至关重要。

如今,科学人才、专业知识和资源高度分散于政府机构、学术界和私营部门。然而,全球和国家层面的机构各自专注于特定领域,例如世界卫生组织、联合国或美国国家航空航天局,它们的核心任务并非仅仅评估未来风险。尽管许多团体和运动倡导广泛传播研究成果,加强全球合作,但SRR将专注于确保关键技术和专业知识得到提供,以防范全球危机。

此类机构目前尚不存在,尽管全球性突发事件并不鲜见,从气候变化、抗生素耐药性到流行病和大流行病,不一而足。或许在该联盟成立之前,我们并未想到行业竞争对手会如此乐于合作;也或许是因为我们认为,设立各自针对特定全球威胁的独立机构更为高效;又或许是因为直到最近,技术才发展到任何人都能像身处自己实验室一样,通过云端使用远在世界另一端的超级计算机。我认为以上因素兼而有之,但可以肯定的是,我们现在已经具备了实现这一目标的全部条件。

我们需要立即行动。政策制定者必须认识到此类机构的重要性,建立必要的监管框架,并与未来的SRR专家建立直接联系。我们必须采用开源的方式来共享软件和数据。

在这样做的同时,我们必须建立必要的防御措施,以抵御网络攻击和其他犯罪行为。新冠疫情在研究领域带来了令人震惊的事件,包括黑客勒索钱财,其对象是加利福尼亚大学旧金山分校,索要的是新冠肺炎研究数据。此类漏洞是不可接受的。我们必须确保具备必要的协议,以保护SRR专家在未来“已知的未知”问题上的工作,从而使我们能够迅速、高效地采纳他们的建议,并设计新药或新材料。

我相信我们能够做到。高性能计算联盟正是有力的证明。新冠疫情让我们所有人看到,我们在应对这一全球性挑战时准备是多么不足。幸运的是,这场危机也让我们认识到,一旦汇聚资源与人才,我们便有能力取得重大进展。这样的认识将提升我们度过这场危机以及未来各种危机的机会。

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