Суперкомпьютер «Фугаку» на тропе войны с коронавирусом

Суперкомпьютер «Фугаку», разработанный для решения научных и социальных задач мирового масштаба, принял активное участие в борьбе с пандемией. 

«Фугаку» разработан японским Институтом физико-химических исследований (RIKEN) и компанией Fujitsu. Его полномасштабная эксплуатация стартовала с 9 марта 2021 года. Однако еще в апреле 2020 года RIKEN предоставил вычислительные суперкомпьютеры для интересных исследований и разработок, которые помогут противодействовать распространению коронавируса. И хотя «Фугаку» еще находился в стадии разработки и подготовки к вводу в эксплуатацию, это не помешало использовать его для серии масштабных научных исследований, связанных с COVID-19. 

Скорость вычисления «Фугаку» примерно 442 квадриллиона (квадриллион – это единица с 15 нулями) в секунду. В прошлом году он неоднократно был признан экспертами рейтингов производительности суперкомпьютеров – TOP500, HPCG, HPL-AI и Graph500 – самым мощным суперкомпьютером в мире. 

Исследования, в которых участвовал «Фугаку», связаны с шестью темами. Четыре из них – медицинские. В частности, компьютер позволял определить возможность использования терапевтических препаратов при лечении COVID-19, прогнозировал динамическую структуру белка на поверхности коронавируса, рассчитывал фрагментарные молекулярные орбитали для белков, связанных с коронавирусом, а также анализировал гены человека в связи с тяжелыми случаями заболевания. Например, в эксперименте по молекулярному моделированию для выяснения характеристик веществ «Фугаку» определил примерно 30 препаратов, потенциально способных помочь при заболевании COVID-19, выбрав их из более чем 2000 существующих лекарственных средств. Как отмечают ученые, у «Фугаку» на эту работу ушло десять дней, притом что предыдущему японскому суперкомпьютеру на решение такой задачи потребовался бы год.

Суперкомпьютер также помог исследовать две важные темы, имеющие не только медицинское, но и социальное значение: он моделировал и анализировал пандемические явления и оценивал, как действуют направленные против них меры, а также прогнозировал возможность инфицирования вирусом в помещении воздушно-капельным путем, предлагая меры противодействия.

 Например, исследовательская группа, в которую входил являющийся руководителем группы в RIKEN профессор Макото Цубокура из Университета Кобе, постаралась спрогнозировать варианты инфицирования людей вирусом воздушно-капельным путем при чихании и кашле. Как известно, медики считают воздушно-капельный путь основным при передаче нового коронавируса. Ученым при помощи моделирования на «Фугаку» удалось детально визуализировать в формате видеоизображения капли и аэрозоль, вылетающие изо рта виртуального пациента. 

Яркая визуализация привлекла большое внимание японских СМИ и была продемонстрирована в сотнях сюжетов по телевидению и в Интернете. Кроме того, полученная информация была предоставлена в государственные учреждения, органы местного самоуправления, больницы. Увиденное оказало огромное влияние на восприятие жителями Японии возможности распространения вируса, на образ жизни японцев и практику борьбы с пандемией.

Наиболее важными результатами исследования оказались данные о том, способны ли маски ограничивать распространение коронавируса. В первую очередь исследователи обратили внимание на то, как материал, из которого изготовлена защитная маска, влияет на передачу инфекции. В качестве материалов для масок обычно используются нетканые материалы, ткани и уретан. Ученые смоделировали, насколько каждый из них защищает окружающих при кашле пациента. Было обнаружено, что при кашле для защиты от капель и аэрозоля наиболее эффективен нетканый материал, на втором месте оказалась ткань, на третьем – уретан. Также выяснилось, что маски не только предотвращают передачу коронавируса от пациента другим людям, но и предотвращают заражение здорового человека от больного.

Ученые отмечают, что их исследование не является рекомендацией по использованию только масок из нетканых материалов. Ведь эффективные средства защиты часто могут вызывать затруднение дыхания, поэтому рекомендуется подбирать маску в индивидуальном порядке и использовать комбинированные меры, например, одновременно правильно защищать органы дыхания и проводить регулярную вентиляцию помещения.

Также исследователи с помощью «Фугаку» изучили, как капли и аэрозоль распространяются в такси и других транспортных средствах. Оценивались риски при поездках в поездах и самолетах. «Фугаку» помог смоделировать возможности распространения коронавируса в офисах, больницах, ресторанах, учебных классах и оценить риск заражения во время занятий хоровым пением, на открытом воздухе, а также понять, как на это влияют влажность, расстояние между людьми и другие факторы. 

Например, согласно полученным данным, при распространении капель внутри автомобиля, если для вентиляции используется кондиционер, в обычном режиме воздух будет меняться 42 раза за час. А при движении со скоростью 40 км/ч и окнах, открытых на 5 см со стороны водителя и со стороны противоположного заднего сиденья, объем вентиляции может быть увеличен только на 25 % по сравнению с кондиционером. Таким образом, оказалось, что принудительная вентиляция с помощью кондиционера обеспечивает достаточное проветривание автомобиля, необходимое для защиты от коронавируса. В связи с этим в холодных регионах нет необходимости открывать окна при поездках, например, в такси.

Планируется, что после полного введения в эксплуатацию – с марта 2021 года – суперкомпьютер «Фугаку» можно будет использовать не только для расчетов, связанных с борьбой с коронавирусом, но и для решения различных проблем в таких сферах, как биология, предотвращение стихийных бедствий, защита экологии, энергетика, повышение конкурентоспособности промышленности, а также для нужд фундаментальной науки.

Татьяна ПОПОВА, «Независимая газета»

Материал предоставлен японским Институтом физико-химических исследований (RIKEN)