Schnellere Simulationen von molekularen Andockprozessen

Neues Intel oneAPI Center of Excellence am Fachbereich verbessert Software "AutoDock"

15.02.2022

Am Fachgebiet Eingebettete Systeme und ihre Anwendungen der TU Darmstadt wird es künftig ein Intel oneAPI Center of Excellence geben. Es wird daran arbeiten, unter Einsatz der oneAPI-Programmierschnittstelle datenparalleles Rechnen und die Simulationssoftware AutoDock zu beschleunigen. Ein wichtiger Schritt für die medizinische und pharmazeutische Forschung: So lassen sich künftig neue Medikamente schneller entwickeln.

Im Rahmen des oneAPI-Zentrums wird das im Fachbereich Informatik angesiedelte Fachgebiet Eingebettete Systeme und ihre Anwendungen in Zusammenarbeit mit der Firma Intel eine beschleunigte Version des Software-Werkzeugs AutoDock entwickeln, um eine einheitliche Code-Basis zu schaffen, die auch auf verschiedenen Hardwarearchitekturen optimiert ausgeführt werden kann.

AutoDock wird häufig für die Simulation molekularer Wechselwirkungen verwendet, um die aus biophysikalischer Sicht beste „Passung“ zweier Moleküle zueinander vorherzusagen. Die Ergebnisse der simulierten „Andock“-Vorgänge sind ein wichtiger erster Schritt bei der Entwicklung neuer Arzneimittel, da die Berechnungen viel schneller durchgeführt werden können als vergleichbare Laborexperimente.

Sprecher des neuen Intel oneAPI Center of Excellence: Professor Andreas Koch

AutoDock-GPU: parallele Implementierung der nächsten Generation

Die hochpräzise Simulation dieser Andockprozesse ist jedoch rechenintensiv, und die Entwicklung neuer Medikamente erfordert die Simulation einer Vielzahl von Verbindungen. Um diese Herausforderung zu bewältigen, arbeitet Dr. Leonardo Solis-Vasquez unter der Leitung von Professor Andreas Koch an einer beschleunigten Version von AutoDock, genannt AutoDock-GPU. Sie soll solche Simulationen durch parallele Ausführung auf einer Reihe von Zielplattformen, einschließlich Mehrkernprozessoren (CPUs), Grafikprozessoren (GPUs) und rekonfigurierbaren Recheneinheiten, beschleunigen.

Gemeinsam mit Intel-Experten forscht die TU Darmstadt dazu an einer parallelen Implementierung der nächsten Generation von AutoDock-GPU. Dabei wird auch die neue oneAPI-Programmierschnittstelle zum Einsatz kommen. Sie ermöglicht eine leichtere Integration schnellerer und qualitativ hochwertigerer Simulationsalgorithmen. Durch die Verwendung von oneAPI kann die neue AutoDock-GPU-Implementierung auch für die Ausführung auf dem kommenden Aurora-Supercomputer am Argonne National Laboratory in Illinois (USA) skaliert werden. Mit seiner Mischung aus Intel-Prozessoren und Grafikprozessoren wird er eine Leistung von zwei ExaFLOPS erreichen. Die Kombination der verbesserten AutoDock-GPU Software mit dieser gewaltigen verfügbaren Rechenleistung wird es ermöglichen, schneller als bisher neue Erkenntnisse zu gewinnen, die für die Bewältigung aktueller und künftiger Herausforderungen in der medizinischen und pharmazeutischen Forschung erforderlich sind.

Dr. Leonardo Solis-Vasquez

„Wir freuen uns, dass wir als neu gegründetes Intel oneAPI Center of Excellence in einen Kreis mit weiteren Spitzenforschungseinrichtungen aufgenommen werden. Wir sind gespannt darauf, mit den Experten von Intel zusammenzuarbeiten, um die enormen Fortschritte, die oneAPI gegenüber anderen Programmiermodellen ermöglicht, zu nutzen, um bessere und schnellere Docking-Simulationswerkzeuge zu realisieren, die das Potenzial haben, von Laptops bis hin zu Supercomputern zu skalieren“, sagt Professor Andreas Koch, leitender Wissenschaftler am Intel oneAPI Center of Excellence der TU Darmstadt.

Das neue oneAPI Center of Excellence ist ein aufregender Schritt nach vorne für die Multi-Architektur-Sprache SYCL und oneAPI. Die Zusammenarbeit mit dem Team der TU-Darmstadt eröffnet Forschenden in der Medizin und Pharmazie die Möglichkeit, AutoDock-GPU produktiv auf der Hardware ihrer Wahl einzusetzen.

Joe Curley, Vice President und General Manager der Intel Software Products and Ecosystem Division

Über oneAPI

oneAPI ist ein offenes, einheitliches und architekturübergreifendes Programmiermodell für CPUs und Beschleunigerarchitekturen (GPUs, FPGAs und andere). Das auf Standards basierende Programmiermodell vereinfacht die Softwareentwicklung und bietet kompromisslose Leistung für beschleunigte Berechnungen ohne proprietäre Bindung, wobei es gleichzeitig die Integration von traditionellem (Legacy) Programm-Code ermöglicht. Mit oneAPI können Entwickler die beste Beschleunigerarchitektur für ihr spezifisches Problem wählen, ohne dass sie die Software für die nächste Architektur und Plattform neu entwickeln müssen. 

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