Немецкий научно-исследовательский институт тестирует технологии Memory-Driven Computing для борьбы с нейродегенеративными заболеваниями

По мере роста численности населения на Земле гуманитарная и экономическая проблема, связанная с нейродегенеративными заболеваниями, которые в настоящее время являются неизлечимыми, становится все более и более актуальной. DZNE борется с этими заболеваниями с использованием аналитики больших данных, однако основным препятствием для этого всегда были ограничения традиционных компьютерных систем. В поисках радикально нового решения институт DZNE внедрил технологии Memory-Driven Computing компании HPE. В результате было отмечено беспрецедентное увеличение скорости вычислений, которое открывает возможности борьбы с болезнью Альцгеймера.

Глобальная бомба замедленного действия

По мере того, как средний возраст населения Земли растет, заболевания головного мозга, такие как болезнь Альцгеймера, поражают миллионы человек, и ущерб от них оценивается более чем в триллион долларов

Ускорение работ по исследованию болезни Альцгеймера – DZNE & Hewlett Packard Enterprise наращивает вычислительные мощности для продвижения исследований. Подробнее о технологиях Memory-Driven Computing.

Участники этого видео: проф. Пирлуиджи Никотера, научный руководитель и генеральный директор, немецкий центр по борьбе с нейродегенеративными заболеваниями – DZNE.

Проф. Иоахим Шульц, доктор медицины, профессор в области геномики и иммунорегуляции – университет Бонна.

Воспроизвести видео
3:11

Нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, множественные склерозы, болезнь Лу Герига и болезнь Хантингтона, возникают, когда нарушается работа нейронов головного и спинного мозга. Сначала симптомы могут быть слабовыраженными: проблемы с координацией или запоминанием имен. Однако по мере того, как отмирает все больше и больше нейронов, люди теряют способность ясно мыслить, самостоятельно ходить и функционировать в мире. Многие из этих заболеваний в конечном итоге приводят к смертельному исходу.

Поскольку нейродегенеративные заболевания, как правило, настигают людей в конце жизни, по мере старения населения их частота, вероятно, возрастет. Наибольший рост населения старшего возраста наблюдается в Китае, Индии, Южной Азии и западной части тихоокеанского побережья.

Слабоумие — проблемы с функционированием мозга — является одним из наиболее деструктивных эффектов нейродегенеративных заболеваний. Количество людей, страдающих слабоумием, каждые 20 лет увеличивается вдвое, и к 2050 г. во всем мире их станет 130 млн. Каждые три секунды у кого-то в мире развивается слабоумие. Согласно оценкам, примерно три четверти людей со слабоумием еще не были диагностированы. Что еще больше усугубляет проблему, к моменту постановки диагноза бывает уже слишком поздно. Ущерб уже нанесен.

  • "Если мы не остановим рост числа людей с развивающимся слабоумием, то к 2050 г. для ухода за ними придется потратить весь ВВП США".

    Профессор Пиерлуиджи Никотера, доктор философии, научный директор и председатель исполнительного комитета, DZNE

Ожидается, что к 2018 г. годовой ущерб от слабоумия превысит 1 трлн долларов. В эту сумму входит бесплатный уход родственников и других лиц, социальная помощь профессиональных сиделок, а также медицинское обслуживание. Если расходы на слабоумие во всем мире представить как ВВП, то эта «страна» занимала бы 18 место в списке ведущих экономик мира.

Несмотря на необходимость срочно найти способы лечения этого заболевания, сложность систем человеческого организма, на которые оно влияет, сильно замедляет прогресс в этом направлении. Количество нейронных связей в человеческом мозге в 1000 раз больше количества звезд в нашей галактике. Ученые должны понять, как работает мозг, изучить генетическую структуру мозга, его функции на клеточном и внутриклеточном уровне, экологические факторы, которые приводят к нарушениям, а также как все эти факторы взаимодействуют друг с другом на протяжении десятилетий.

Объемы и типы данных, которые генерируют ученые в этой области, огромны и разнообразны. В процессе поиска способов лечения нейродегенеративных заболеваний аналитические ограничения традиционных вычислительных систем могут стать большим препятствием.

1 млрд

людей во всем мире имеют нейродегенеративные заболевания

24 млн

из них страдают болезнью Альцгеймера

1 трлн долларов

Ущерб от слабоумия во всем мире к 2018 г.

На борьбу с нейродегенеративными заболеваниями

Немецкий научно-исследовательский институт борется с заболеваниями головного мозга, такими как болезни Альцгеймера и Паркинсона.

  • "Мы хотим использовать самую современную технологию, чтобы ответить на вопросы: «Отчего возникает болезнь Альцгеймера? Как можно ее предотвратить?"

    Профессор Иоахим Л. Шульц, доктор философии, директор, платформа PRECISE для одноклеточной геномики и эпигеномики, DZNE

Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) — это научно-исследовательский институт, основанный Федеральным министерством образования и исследований Германии для борьбы с нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезни Альцгеймера, Паркинсона и множественный склероз. DZNE использует результаты клинических исследований, популяционные исследования, а также исследования в области здравоохранения, что требует обработки огромных объемов данных. Ученые института работают в девяти городах в Германии, они тесно сотрудничают с университетами, университетскими больницами и другими партнерами в области исследований.

1000

сотрудников центра DZNE занимаются изучением заболеваний головного мозга

80

рабочих групп разрабатывают новые подходы к профилактике и лечению

9

центров по всей Германии

Раскрытие секретов раннего выявления

Научно-исследовательские проекты требуют расширения возможностей технологий

 

Исследователи знают, что процессы заболевания, ведущие к слабоумию, начинаются за несколько десятилетий до того, как симптомы начинают проявляться, однако они точно не знают, каким образом. Мисфолдинг белка? Воспаление? Более полное понимание процесса является ключом к успешной профилактике, диагностике и лечению заболевания.

  • "Мы стараемся найти небольшие различия, которые объясняют, почему у одного человека болезни развиваются, а у других нет. Однако для этого нам нужны новые технологии для обобщения и хранения всех этих данных вместе, а также для сравнения наборов данных друг с другом, чтобы понять, что они означают".

    Профессор Пиерлуиджи Никотера, доктор философии, научный директор и председатель исполнительного комитета, DZNE

DZNE проводит в Германии исследование популяций людей, в котором каждые три года осматривается до 30 000 человек с целью выявления изменений походки, обоняния и других факторов, которые могут помогать раннему выявлению болезни Альцгеймера. Как и другие проекты DZNE, это требует сопоставления огромных массивов данных для выявления небольших отклонений, которые могут указывать на значимые различия у людей, у которых разовьется болезнь Альцгеймера.

Подобная работа требует взаимодействия специалистов из разных областей, включая медицину, биологию, математику, физику, информатику, вычислительную технику. При этом они могут находиться в самых разных местах. Филиалы центра DZNE рассредоточены по всей Германии. Кроме того, центр проводит исследования с партнерами во всем мире. Это заставляет использовать технологические решения на пределе возможностей. Тем временем средний возраст населения Земли растет, и неврологические заболевания становятся все более и более распространенными. Некоторые это называют бомбой замедленного действия для пожилых людей.

30

лет проводятся исследования

30 тыс.

человек наблюдаются

Низкопроизводительные системы тормозят прогресс

Потребности в аналитике превосходят возможности традиционной компьютерной архитектуры

 

Ограничения ИТ стали настоящим узким местом в борьбе с нейродегенеративными заболеваниями. Традиционные вычислительные системы работают слишком медленно, чтобы обрабатывать петабайты данных для центра DZNE, работать с множеством источников данных и выполнять вычисления по сложным алгоритмам.

DZNE использует информацию из исследований в области геномики, томографии головного мозга и клинических исследований. Это требует обеспечения безопасности при доступе и анализе данных и соблюдения конфиденциальности данных пациента. Эти огромные и разнотипные наборы данных не были предназначены для совместного использования и часто являются несовместимыми. При этом ученые хотят выполнять сложные вычисления с использованием этих наборов данных, например сопоставление генетических маркеров с томограммой головного мозга.

  • "Нам нужны мощные вычислительные системы, чтобы разобраться в сложном механизме этих заболеваний на многих уровнях: геномики, томограммы головного мозга и периодического наблюдения за пациентами. Современная медицина неотделима от вычислений".

    Профессор Иоахим Л. Шульц, доктор философии, директор, платформа PRECISE для одноклеточной геномики и эпигеномики, DZNE

Загрузка данных может занимать несколько недель, а вычисления на основе этих данных — даже еще больше. Уже просто передача данных оказывается невозможной, даже с использованием самых высокоскоростных интернет-соединений. Один исследователь в области геномики загружает свои данные на жесткий диск и отправляет его курьерской службой в центр DZNE.

DZNE хочет ускорить эти процессы — прекратить транспортировку необработанных данных, а анализировать их на месте, предоставляя партнерам по совместной работе централизованный доступ к результатам, которые они могут использовать в своих научных исследованиях. Это требует применения нового подхода к компьютерной архитектуре.

Данную концепцию можно воплотить с помощью технологий Memory-Driven Computing

Центр DNZE сотрудничает с HPE и одним из первых разворачивает новую компьютерную архитектуру для обработки больших данных

 

Центру DZNE требовался способ быстрой децентрализованной обработки данных геномики без потери времени на передачу данных между участниками совместной работы или даже между вычислительными системами различных уровней в самом центре. Технологии Memory-Driven Computing компании Hewlett Packard Enterprise предлагают подобное решение.

Memory-Driven Computing — это новая компьютерная архитектура, которая призвана вывернуть традиционную архитектуру наизнанку. В традиционных компьютерных системах к каждому процессору привязывается лишь небольшой объем оперативной памяти. Вследствие неэффективного подхода производительность подобной системы ограничена. Согласно оценкам, 90 % работы связано с перемещением информации от процессора к процессору или между уровнями оперативной памяти и системы хранения данных.

  • "Технология Memory-Driven Computing обеспечивает именно то, что нам нужно. Поскольку мы храним много данных в оперативной памяти, наша система работает намного быстрее, что позволяет ускорить вычислительные процессы".

    Профессор Иоахим Л. Шульц, доктор философии, директор, платформа PRECISE для одноклеточной геномики и эпигеномики, DZNE

Благодаря технологии Memory-Driven Computing все процессоры получают одинаковый доступ к пулу общедоступной памяти, что позволяет исключить пересылку данных в разных направлениях. В результате достигается беспрецедентное повышение скорости, надежности и эффективности энергопотребления, а также появляется возможность использовать огромные наборы данных, что до этого было просто невозможно. Компания HPE представила прототип системы на основе технологии Memory-Driven Computing в 2017 г. Система называлась The Machine. Она оснащалась 160 терабайтами высокопроизводительной памяти, что является самым большим показателем для систем с единой оперативной памятью.

Пораженные возможностями технологии Memory-Driven Computing, руководители центра DZNE выбрали особенно сложный вариант ее использования, предполагавший оптимизацию существующего алгоритма для предварительной обработки данных геномики, который уже был «близок к оптимальному». Для этого предлагалось посмотреть, помогут ли небольшие изменения с использованием технологии Memory-Driven Computing ускорить процессы, которые уже выполнялись с максимальной возможной скоростью для существующих технологий.

Результаты потрясли сотрудников центра DZNE.

Вычислительная мощь позволила ускорить исследования

Технология Memory-Driven Computing позволила еще больше приблизиться к решению задачи ранней диагностики и лечения заболеваний

 

DZNE считает, что Memory-Driven Computing — это революционная технология, способная дать толчок творческим подходам ученых и ускорить поиск способов профилактики и лечения заболеваний. Нахождение сразу всех этих больших и часто несовместимых наборов данных внутри оперативной памяти позволяет устранить узкие места для вычислений, которые сдерживали исследования в области геномики и медицины.

Вычисления с использованием технологии Memory-Driven Computing не только выполняются быстрее и эффективнее, они также по своей сути являются более безопасными. Вместо того чтобы отправлять необработанные данные, например изображения сканирования головного мозга, партнеры по исследованию делятся результатами своих вычислений, например информацией о наличии повреждения в какой-то области. Аналитические данные на основе этой информации можно передавать другим участникам совместного проекта, чтобы они использовали их в собственных исследованиях, но при этом сами данные хранятся локально. Алгоритмы обращаются к этим данным, а не наоборот. Подход к обеспечению безопасности становится более прагматичным, нежели административным.

  • "Технология Memory-Driven Computing ускоряет наше исследование и повышает вероятность того, что мы найдем вариант решения болезни Альцгеймера достаточно быстро".

    Профессор Пиерлуиджи Никотера, доктор философии, научный директор и председатель исполнительного комитета, DZNE

Ученые DZNE и HPE вместе адаптировали алгоритм DNZE для предварительной обработки данных геномики, чтобы обеспечить возможность использования методов программирования Memory-Driven . Согласно оценкам DZNE, продолжительность процесса удалось сократить с 22 минут сначала до 2,5 минут, а затем до 69 секунд. Сейчас после некоторых дополнительных оптимизаций кода он занимает 13 секунд. Таким образом, всего за три месяца работы удалось повысить скорость обработки более чем в 100 раз! Специалисты DZNE уверены, что новая архитектура в конечном итоге позволит ускорить все вычислительные процессы в 100 раз.

Ученые из DZNE занимаются поиском биомаркеров у молодых людей, которые могут свидетельствовать о вероятности развития неврологического заболевания в последующие годы жизни. Это поиск способов лечения. Учитывая мощные возможности технологий Memory-Driven Computing, DZNE считает, что решение будет найдено быстрее, чем это казалось раньше.

100-кратное

Ожидаемое повышение скорости аналитики снимает препятствия на пути научных исследований

60%

Уменьшение энергопотребления уменьшает расходы на исследования

Переход на технологию Memory-Driven Computing

Центр DZNE использовал сервер HPE Integrity Superdome X в качестве испытательной установки для методов программирования Memory-Driven Computing

 

Оборудование HPE

HPE Integrity Superdome X