擊敗新型冠狀病毒的核心武器會是分佈式計算?

擊敗新型冠狀病毒的核心武器會是分佈式計算?

“終極答案”

在道格拉斯·亞當斯創作的科幻小說《銀河系漫遊指南》中,有一群具有高度智慧的外星人為了找出生命、宇宙以及任何事情的終極答案,特別造了一臺超級電腦——“深思”(Deep Thought)來進行計算。“深思”花了750萬年來計算和驗證,最終得出的答案是“42”。

這個答案的戲劇性與試圖利用計算機計算生命、宇宙以及任何事情的答案的荒誕感一脈相承,也和“深思”對這個答案的解釋一樣:“只要你們確切地知道問題到底是什麼,你們就能理解這個答案的意思。”眾所周知,計算機只能計算題目,而不能回答問題。荒誕的問題必然會讓“深思”給出一個荒誕的答案。

《銀河系漫遊指南》的第三本《生命、宇宙與一切》出版於1982年,恰好是計算機和互聯網技術取得重大突破的年代。就在這本書出版的前一年,IBM PC誕生,微軟推出了MS-DOS,毫無疑問的改變了整個世界的運轉方式。1982年2月,英特爾推出了具有里程碑意義的286處理器,集成了約13萬個晶體管。但由於性能限制,286芯片難以勝任大量的浮點運算,英特爾後來還推出了專門用來計算的287芯片作為補充。

計算機技術的飛躍式發展當然會引起普通人——尤其是科幻作家的遐想:當計算機性能越來越好,計算速度越來越快,是否會有一天能夠計算出所有問題的答案?《銀河系漫遊指南》給出了一個優秀的答案。

我們為什麼渴求算力

《銀河系漫遊指南》出版後的40年裡,計算機技術發展得更快了。處理器芯片遵循摩爾定律,晶體管數量從286的13萬個增長到了近20億個,計算速度也突飛猛進,2016年,中國自主研發的超級計算機神威·太湖之光在LINPACK基準測試中以93PFLOPS(93千萬億次浮點計算)的成績登頂成為世界最快的超級計算機。但這遠遠不是盡頭。僅僅兩年之後,美國就建造了Summit(頂點)超級計算機,計算速度達到了200 PFLOPS。

FLOPS(即“每秒浮點運算次數”,“每秒峰值速度”),是“每秒所執行的浮點運算次數”(floating-point operations per second)的縮寫。一個PFLOPS(petaFLOPS)等於每秒一千萬億(=10^15)次的浮點運算。

人類為何鍾情於計算速度?這是需求決定的。隨著科學技術的進步,人類逐漸展開了對這個世界更細緻的探索。在科研領域,超級計算機擁有舉足輕重的地位。舉個例子,國家計算流體力學實驗室基於“神威·太湖之光”超級計算機,對“天宮一號”飛行器兩艙簡化外形、隕落飛行繞流狀態大規模並行模擬,使用16,384個處理器在20天內便完成常規需要12個月的計算任務,計算結果與風洞實驗結果吻合較好,為“天宮一號”飛行試驗提供重要數據支持。

在生物化學方面,超級計算機同樣能夠實現重要的價值。用戶可以通過超級計算機使用生物信息軟件和常用數據庫完成生物信息學、計算生物學等計算任務和基因序列分析、序列拼接、基因表達譜數據分析、大尺度的生態學數據分析等工作。

從本質上看,超級計算機與普通家用計算機區別不大,只是超級計算機使用了更多的芯片,大量的處理器集中在一起以處理龐大的數據量,因此運算速度比常規計算機快許多倍。也正因為這個原因,超級計算機並不是人類面對海量計算時的唯一解。

分佈式計算

隨著新冠病毒在全世界流行,世界各地的許多科技企業、學者、政府機構,也在積極地開展有關該病毒療法的研究,而這也離不開計算。免疫療法初創企業 ImmunityBio試圖通過對新型冠狀病毒的關鍵蛋白結構展開建模,以研究新冠病毒是如何進入人體細胞的,為此,他們與微軟的 Azure 雲計算部門展開合作,藉助 24 PFLOPS的算力來對病毒進行分析。但這遠遠不夠。

是世界上最大的分佈式計算計劃Folding@home牽頭組建了一個聯盟,開始對新冠病毒進行分析。Folding@home並不依靠強大的超級計算機進行計算,反而主要的貢獻者是成千上萬的個人電腦和遊戲機。每部參與的電腦都安裝了一個在後臺運行的客戶端程序,在系統不忙碌的時候調用中央處理器運行模擬工作。現時世界上絕大部分的個人電腦,在一般的情況下都很少用盡本身的計算能力。Folding@home就是使用這些本來都浪費了的運算力量。

根據項目最新的公告,目前Folding@home有70萬人參加,擁有470 PFLOPS的計算能力,超過了世界前七的超級計算機算力的總和。毫無疑問,這是人類史上最大的一次分佈式計算。

人類最偉大的事業

分佈式計算其實並不是什麼新鮮概念,普通人閒置在家的計算硬件每天都有很多人惦記——尤其是科研工作者。除了Folding@home之外,類似的項目還有中科院高能物理研究所計算中心所搭建的CAS@home、普朗克研究所搭建的Einstein@Home、加州大學伯克利分校搭建的SETI@home等等。這些計算項目大多數都是基於BOINC(Berkeley Open Infrastructure for Network Computing,伯克利開放式網絡計算平臺)運行的。

BOINC最初是為了管理SETI@home而開發的。這是一個通過互聯網利用家用個人計算機處理天文數據的分佈式計算項目,該項目試圖通過分析阿雷西博射電望遠鏡採集的無線電信號,搜尋能夠證實外星智能生物存在的證據。從1999年到2020年3月31日關閉,這個項目已經運行了整整 20 年。

劉慈欣的小說《球狀閃電》中也提到了這個項目。小說中,主角竊取了SETI@home的算力,收到了來自項目負責人的怒斥:“我們在用最微薄的資金從事人類最偉大的事業,卻也受到這樣可恥的騷擾,你應該為自己感到羞恥!”

當然,也有很多基於區塊鏈技術開發的BOINC項目,尤其在2019年迎來了爆發,比較著名的項目包括Tesra超算網絡、BOINC Planet算力地球、iExec、CONUN等。可以預見的是,一旦Folding@home在新冠肺炎的防治中取得了成果,基於區塊鏈技術的分佈式計算也將迎來新的發展機遇。


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