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Max Planck Institut

 
 

Die Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. ist eine unabhängige, gemeinnützige Forschungsorganisation, die hauptsächlich in Deutschland ansässig ist. Wie die meisten der wissenschaftlichen Forschungsgruppen weltweit ist auch das Institut in Göttingen auf Berechnungen als lebenswichtiges Hilfsmittel zur Führung und zur Analyse seiner Arbeitsergebnisse angewiesen. Die Untersuchungen in der 3D-Elektronen-Kryomikroskopie durch Prof. Holger Stark und seine Gruppe wurden erheblich beschleunigt, als das Institut mithilfe von NVIDIAs CUDA‑ und Tesla-Technologien das Parallel-Computing auf dem Grafikprozessor (GPU) übernahm.

DIE HERAUSFORDERUNG

Die Arbeit von Prof. Stark hat das Ziel, unser Verständnis um die Struktur und 3D-Bewegung winzig kleiner Nanomolekularstrukturen, so genannter Makromoleküle, zu erhöhen. Da diese biologischen „Maschinen“ in jeder lebenden Zelle vorkommen, sind sie verantwortlich für die fundamentalsten Vorgänge des Lebens. Es ist daher für uns unerlässlich, ein genaues Bild ihrer Mechanismen zu erhalten. Antibiotika wirken zum Beispiel, indem diese Wirkung auf die Funktionen einer speziellen Art von Makromolekülen in den Bakterien, der so genannten Ribosomen, abzielt. Ein detailliertes Verständnis um diese Ribosomen und ihre Funktionen ist daher sehr wichtig, weil es medizinischen Forschern erlaubt, wirksame Medikamente zu entwickeln.

Um detaillierte 3D-Bilder von Makromolekülen zu erstellen, verwendet das Team von Prof. Stark ein Elektronenmikroskop. Obwohl moderne Elektronenmikroskope Auflösungen erreichen können, die den Abstand zwischen zwei Atomen übertreffen, würden die biologischen Strukturen, die hier untersucht werden sollen, durch einen so intensiven Elektronenstrahl zerstört. Um eine Beschädigung der biologischen Strukturen zu verhindern, kühlt das Team ihre Proben auf eine sehr niedrige Temperatur herab und verwendet dann eine relativ niedrige Elektronendosis, während es die Struktur und 3D-Bewegung der Makromoleküle beobachtet. Da aber die niedrige Auflösung verrauschte Bilder produziert, die anschließend gesäubert werden müssen, haben die Forscher spezielle Tools zur Verarbeitung von 3D-Bildern entwickelt, die das Rauschen reduzieren und mehrere Bilder in kurzer Zeit abgleichen, um die Genauigkeit zu erhöhen.

Als das Team ein CPU-Cluster mit 48 Prozessorkernen einsetzte, war es in der Lage, 15.000 Bilder in ca. sieben Tagen abzugleichen. Bei diesem Tempo würde jedoch ihr Ziel, 1 Million Bilder abzugleichen, für jedes untersuchte Makromolekül etwa 1,3 Jahre dauern.

DIE LÖSUNG

Im Februar 2008 wurde die Einrichtung des Instituts in Göttingen mit 200 Grafikprozessoren in der Serverkonfiguration die weltweit erste NVIDIA®-Tesla™-Installation. Als die Forscher die Programmiersprache NVIDIA CUDA™ einsetzten, um ihre Algorithmen auf den Tesla-Serverlösungen auszuführen, waren sie in der Lage, sich die massiv-parallele Rechenleistung der Grafikprozessoren zunutze zu machen und ihre Berechnungen in erheblich kürzerer Zeit durchzuführen.

Mit dieser GPU-Konfiguration nimmt der Abgleich einer Million Bilder nun 14 Stunden in Anspruch – das ist mehr als 800-mal schneller, als der bisherige CPU-Cluster es konnte. Aufgrund dieser Ergebnisse plant das Institut nun, seine Tesla-Einrichtung zu erweitern, wodurch der Bildabgleich in nur neun Stunden abgeschlossen werden kann. Das stellt die theoretische Performance des Göttinger GPU-Clusters auf eine Stufe mit den leistungsstärksten Supercomputern der Welt.

„NVIDIAs Grafikprozessortechnologie ist genau das, was unser Team gebraucht hat“, weiß Stark, „und sie kam gerade zur richtigen Zeit.“ Für unsere Arbeit ist der Unterschied grundlegend: Wir können nun Berechnungen, die mit unserer bisherigen CPU-basierten Lösung unzumutbar langsam waren, in nur wenigen Stunden durchführen. Diese Technologie erlaubt uns, Innovationen und Entdeckungen zu beschleunigen.

DIE AUSWIRKUNGEN

Neue Einblicke in das Verhältnis von Antibiotika und Makromolekülen in Bakterien werden zur Entwicklung wirksamerer Medikamente und Antibiotika führen. Es bleibt zu hoffen, dass dies mit der Zeit dazu beitragen wird, dass die Menschen schneller von Krankheiten und chirurgischen Eingriffen genesen und dass letztendlich Leben gerettet werden.



 
 
 
 
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