Elektronik hilft AMD COVID-19 HPC-Fonds: Globale Gesundheitsforschung antreiben

Von Michael Eckstein

AMD unterstützt weltweit Wissenschaftler bei der Erforschung von COVID-19 und beim Entwickeln von Gegenmitteln. Dazu hatte AMD-CEO Dr. Lisa Su im April 2020 den AMD COVID-19 HPC-Fonds initiiert.

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Data-Cruncher: Die leistungsstarken Epyc-Serverprozessoren von AMD unterstützen Forscher weltweit unter anderem dabei, die Covid-19-Pandemie zu erforschen und wirksame Gegenmittel zu entwickeln.
Data-Cruncher: Die leistungsstarken Epyc-Serverprozessoren von AMD unterstützen Forscher weltweit unter anderem dabei, die Covid-19-Pandemie zu erforschen und wirksame Gegenmittel zu entwickeln.
(Bild: AMD)

Im Dezember 2019 war in der globalen Berichterstattung erstmals die Rede von einem neuen Virus mit potenziell gefährlichen Eigenschaften. In der modernen, globalisierten Welt traf es auf einen idealen Nährboden und ebenso ideale Verbreitungsmöglichkeiten: Auf der einen Seite riesige Ballungszentren, verteilt auf dem gesamten Globus. Auf der anderen Seite Millionen Menschen, die jeden Tag zwischen diesen enormen Menschenansammlungen hin- und herreisen, auch über lange Distanzen. Und so den Krankheitserreger sehr schnell sehr weit verteilen.

Fast zwei Jahre sind seitdem vergangen. In dieser Zeit hat sich vieles geändert: Unter anderem unser Umgang mit Technologie, sei es im Heimgebrauch oder in einer Vielzahl von Rechenzentren rund um den Globus. Gerade diese Rechenzentren haben sich seit Beginn der Pandemie als ein Schlüsselelement für die Forschung herausgestellt und dafür gesorgt, dass bereits ein Jahr nach dem Ausbruch nicht nur mehrere Impfstoffe, sondern auch zahlreiche Daten zu COVID-19 und vielen anderen Krankheiten bekannt sind.

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Medizinische Forschung beschleunigen

Der COVID-19 HPC-Fonds stellt AMDs Expertise im High Performance Computing (HPC) und Rechenkapazitäten zur Beschleunigung der medizinischen Forschung zu COVID-19 und anderen Krankheiten zur Verfügung. Ziel des AMD COVID-19 HPC-Fonds ist es, Forschern nicht nur zu helfen, ihr Verständnis von COVID-19 zu vertiefen, sondern auch die Fähigkeit zu verbessern, auf zukünftige potenzielle globale gesundheitliche Bedrohungen zu reagieren.

Heute profitieren bereits dutzende Forschungseinrichtungen weltweit in vielen Ländern von dem Förderprogramm. Auch Institute in Deutschland sind darunter: So hat auch das Hochleistungsrechenzentrum der Universität Stuttgart (HLRS) Mittel aus dem AMD HPC-Fonds erhalten (siehe unten). Konkret konnte mithilfe neuster Epyc-Serverprozessoren von AMD die Rechenleistung des Supercomputers „Hawk“ auf 26 Peta-Flops beschleunigt werden, so dass beispielsweise Simulationen nun schneller Ergebnisse liefern.

Über 12 Peta-Flops installierte Rechenleistung

Bereits am 15. April 2021, also genau ein Jahr nach Auflegen des AMD COVID-19 High-Performance-Computing-Fonds, profitierten 23 Zuschussempfänger in sieben Ländern von dem Förderprogramm. Zu diesem Zeitpunkt war es bereits auf einen Gesamtmarktwert von 20 Millionen US-Dollar angewachsen und hatte dazu beigetragen, dass nach Angaben von AMD insgesamt 12 Peta-Flops Supercomputing-Kapazität zusätzlich installiert werden konnten.

Ein Rechner mit dieser Datenverarbeitungskapazität würde in der Top-500 Liste (unter top500.org) zu den schnellsten Supercomputern der Welt zählen. Die Forschungsprojekte der geförderten Institute reichen von der evolutionären Modellierung des COVID-19-Virus über das Verständnis der Aktivierung des Virus-Spike-Proteins, die vor der ersten Interaktion zwischen dem Coronavirus und einer menschlichen Zelle stattfindet, bis hin zu groß angelegten Strömungssimulationen von COVID-19- Tröpfchen auf ihrem Weg durch die Luft.

Die zusätzliche Rechenleistung hat Institutionen dabei geholfen, zuvor unlösbare Probleme zu knacken, Zeitpläne zu beschleunigen und Daten viel besser und weitreichender als je zuvor zu verstehen – sowohl in den Bereichen Genomik, Impfstoffentwicklung, Übertragungsforschung und Modellierung. Dies hat die Forscher letztlich zu einem verbesserten Ansatz geführt, nicht nur für COVID-19, sondern auch für die Bewältigung künftiger globaler Gesundheitsbedrohungen. Und davon profitieren letztlich alle Menschen weltweit.

Ressourcen für die wissenschaftliche Gemeinschaft

Das Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS) hat von AMD im Rahmen des HPC-Fonds zehn Serversysteme erhalten. Das HLRS war eines der ersten europäischen HPC-Zentren, das eine Spende im Rahmen der zweiten Phase dieses Programms erhalten hat. Die neuen Ressourcen werden für die Forschung im Zusammenhang mit der SARS-CoV-2-Pandemie eingesetzt.

Die neuen AMD-Knoten wurden in den Vulcan-Cluster des HLRS integriert. Jeder der gespendeten Server enthält einen AMD EPYC-Prozessor und acht AMD Instinct- Beschleuniger, die für Anwendungen in den Bereichen maschinelles Lernen, Deep Learning und künstliche Intelligenz optimiert sind. Die von Penguin Computing gebauten Serversysteme bieten 530 TFlops an 64-Bit-Gleitkomma-Leistung. Die neue Hardware wird die Aktivitäten des HLRS auf dem Gebiet der globalen Systemforschung unterstützen. Dazu gehört auch die Teilnahme am Projekt HIDALGO, einem Exzellenzzentrum (CoE), das durch das Programm Horizont 2020 der Europäischen Union gefördert wird, sowie am Projekt bwHPC-S5, das vom Land Baden-Württemberg finanziert wird.

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HLRS-Direktor Michael Resch hat AMDs Initiative, aktiv die Forschung zu unter­stützen, begrüßt und erklärt: „Die COVID-19- Krise war ein großer Weckruf in Deutschland und ganz Europa und hat gezeigt, dass neue Herausforderungen sehr plötzlich auftreten und weitreichende Auswirkungen auf die gesamte Gesellschaft haben können.“ Das Hochleistungsrechnen in wissenschaft­lichen Disziplinen, die sich mit solchen Herausforderungen befassen, werde immer wichtiger.

Daher sei es von besonderer Bedeutung, dass Hochleistungsrechenzentren über ausreichende Supercomputing-Kapazitäten verfügen, um auf plötzliche und dringende Bedarfsschübe reagieren zu können. „Wir freuen uns sehr über diese Ressourcenspende von AMD“, sagte Resch. „Sie verbessert die Möglichkeiten, Wissenschaftler in Deutschland und in der EU zu unterstützen, die daran arbeiten, die Coronavirus-Pandemie besser zu verstehen und Erkenntnisse zu liefern, die Regierungen und Gesundheitsorganisationen nutzen können, um die Pandemie zu bekämpfen.“

EPYC-Prozessoren und Instinct-Beschleuniger

Auch die französischen Forschungseinrichtungen GENCI und Inria haben eine Spende von Rechenressourcen im Rahmen des AMD COVID-19 HPC Fonds erhalten. Ihr Neowise-Systems wurde ebenfalls mit neuen AMD EPYC-Prozessoren und AMD Instinct-Beschleunigern ausgestattet und in die nationale GRID'5000/SILECS-Infrastruktur an der École Normale Supérieure in Lyon in Frankreich sowie dessen Implementierung integriert.

GENCI stellt seine nationalen und europäischen Ressourcen in den Bereichen HPC, KI und Datenspeicherung (Occigen-, Joliot-Curie- und Jean-Zay-Supercomputer) über PRACE der wissenschaftlichen Gemeinschaft im Kampf gegen COVID-19 zur Verfügung. Derzeit haben weltweit mehr als 40 Forschungsprojekte zu COVID-19, die von epidemiologischen Studien über den Virusreplikationsprozess in unseren Zellen, massives Screening von Molekülen bis hin zu hochpräzisen CFD-Simulationen der Tröpfchenausbreitung reichen, von den Rechenstunden und der Unterstützung durch GENCI profitiert.

Mit künstlicher Intelligenz gegen das Sars-Cov-2-Virus

Inria hat seinerseits ein internes Programm eingerichtet, das den Start von etwa dreißig Projekten gegen COVID-19 in Zusammenarbeit mit Akteuren aus der Gesundheitsbranche (Kliniker, Epidemiologen, Krankenhäuser, Behörden) begleitet hat. Bei einigen dieser Projekte wurden Methoden der künstlichen Intelligenz eingesetzt, die erhebliche Rechenressourcen erfordern – etwa Deep Learning für die Analyse von Thoraxaufnahmen und die automatische Verarbeitung von medizinischen Berichten.

Ein weiteres Beispiel für die Wirkung des AMD HPC-Fonds ist das Corona-Supercomputing-Cluster des Lawrence Livermore National Laboratory: Mithilfe des AMD-Förderprogramms konnte das Institut aktualisierte Grafikbeschleuniger installieren, wodurch sich die Spitzenrechenleistung des Systems nahezu verdoppelte. Das System wird von Wissenschaftlern im Rahmen des öffentlich-privaten COVID-19 HPC-Konsortiums und von LLNL-Forschern genutzt, die an der Entdeckung potenzieller Antikörper und antiviraler Verbindungen für Sars-CoV-2-Virus arbeiten, das COVID-19 verursacht.

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