高性能計算在中醫藥領域的應用探討

劉紅+楊策+邢雁輝+張竹綠+崔蒙

摘要：高性能計算作為嶄新和重要的科研工具，目前已經在眾多的領域得到了成功應用。在中醫藥領域的應用目前還處于探索階段，未來有可能在中藥植物藥的基因組學、中藥新藥的虛擬藥物篩選、中醫藥數據挖掘和大數據分析、模擬與仿真等領域開展具有創新性的高性能計算的應用研究。

關鍵詞：高性能計算；應用；中醫藥

中圖分類號：R-3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5707（2016）06-0010-03

Abstract： High performance computing （HPC）， as a new and important research tool， has been applied in many fields successfully. Application of HPC in the TCM field is still in the exploratory stage. HPC in the future may be innovatively applied in the field of genomics Chinese herbal medicine， virtual medicine screening of new TCM， TCM data mining and big data analytics， modeling and simulation and so on.

Key words： high performance computing （HPC）； application； TCM

高性能計算是計算機科學的一個分支，研究并行算法和開發相關軟件，致力于開發高性能計算機。高性能計算是世界各國競相發展的前沿技術，是體現一個國家綜合實力和科技競爭力的重要指標。

科學計算作為科研方法變革的產物，已經發展成為與傳統的理論、實驗并駕齊驅的第三種科研方法，并且日益成為越來越重要的科研方法?？茖W計算方法的運用，是高性能計算應用的基礎和前提條件，而使高性能計算真正發揮作用主要取決于高性能計算的應用研究水平[1]。本文對于促進高性能計算未來在中醫藥領域的應用、豐富中醫藥信息學的研究內容及由此產生的中醫藥科研方法的創新具有推動作用。

1 高性能計算應用概況

1.1 我國在高性能計算應用領域仍處于落后水平

在高性能計算的研發和應用領域美國一直處于世界領先水平，日本和歐洲國家緊隨其后長期位居世界先進行列。近年來，我國在高性能計算硬件的研發方面取得了突破性進展，通過自主創新逐步掌握了一批硬件研發的關鍵技術。中國國防科技大學研制的天河系列超級計算機連續多次在世界超級計算機排行榜中名列首位，標志著我國高性能計算的硬件研究水平目前已經接近國際先進水平。但在應用軟件方面的發展嚴重滯后于硬件的發展水平，自主開發的高性能計算應用軟件嚴重匱乏，需要大量購買和引進國外開發的應用軟件，重要和關鍵部門的應用受制于人[2]。應用軟件是高性能計算應用的基礎，由于應用軟件研發水平的嚴重落后，目前我國在高性能計算應用領域仍處于落后水平。

1.2 國內外高性能計算主要的應用領域

高性能計算作為嶄新和重要的科研工具，目前已經在眾多的領域得到了成功應用，各種前沿科學研究、技術開發和工程設計都越來越多地使用了高性能計算，高性能計算已經日益成為科技創新的重要力量。目前主要的應用領域包括氣象數值模擬與預報、地震預報、納米技術、生物醫學、環境科學、空間科學、材料科學、計算物理、計算化學、流體力學、地震三維成像、石油勘探、天體星系模擬、大氣與海洋模擬、固體地球模擬、工業設計、核武器研究、全球氣候模型、湍流分析、飛行動力學、海洋環流、流體力學和超導模型等[1]。在生物醫學領域的應用目前主要集中在人類基因組學、蛋白質組學、藥物設計、分子動力學模擬等方面。

1.3 高性能計算應用的瓶頸

高性能計算雖然已經在眾多領域得到了成功應用，但由于技術難度等的限制，仍然屬于高投入高產出的非普及型應用。目前制約高性能計算應用的主要問題包括軟件開發的技術難度非常大，系統使用成本過高，不僅體現在軟硬件購置費用昂貴，而且系統運行維護成本過高，大型系統的年電費需上千萬元[2]。比較高精尖的應用范圍、非常高的技術要求和過高的使用成本，這些都限制了高性能計算的廣泛應用。

2 高性能計算在中醫藥領域應用的可行性分析

2.1 高性能計算在領域應用的前提條件

高性能計算在領域應用的條件首先需要應用領域具有較高的科研水平，特別是能夠通過科學計算的方法建立相應的數學物理模型和應用軟件來解決實際問題，利用高性能計算才有可能促成應用領域研究水平的大幅度提高。通過對高性能計算應用領域的最高學術獎戈登獎獲獎項目的分析，這些獲獎的應用項目絕大多數都具有多學科交叉融合的背景，這反映了高性能計算的應用需要應用領域與計算機科學、數學等學科的跨學科合作[3]。隨著高性能計算的應用，近些年高性能計算與應用學科的交叉學科不斷涌現，產生了計算化學、計算物理學、計算生物學等許多新興學科，這些交叉學科的產生標志著高性能計算在這些領域得到了高水平應用。

2.2 計算生物學的啟示

計算生物學是一門以生命科學中的現象和規律作為研究對象，以解決生物學問題為最終目標，通過模擬和仿真的方法對生物學問題進行定量和定性研究的新興學科。計算生物學與生物信息學比較，最大的不同之處在于生物信息學側重于生物信息的采集、存儲、處理和分析，而計算生物學側重于對生命現象進行研究、解決生物學問題[4]。目前計算生物學領域的研究主要集中在蛋白質行為的模擬、藥物分子的篩選、基因測序等方面。

雖然目前中醫藥領域還不滿足高性能計算的應用條件，但通過借鑒計算生物學的研究方法，未來有可能在中醫藥領域開展具有創新性的高性能計算的應用研究。

3 高性能計算在中醫藥領域應用的展望

3.1 中藥植物藥的基因組學

基因組學是遺傳學的一個分支，研究生物基因組和如何利用基因，涉及基因作圖、測序和整個基因組功能分析，研究內容包括以全基因組測序為目標的結構基因組學和以基因功能鑒定為目標的功能基因組學?；蚪M學是高性能計算應用的一個重要方向，沒有高性能計算人類的基因組計劃就不可能實現，高性能計算已經成為基因組學研究不可或缺的科研工具。隨著基因組學研究的深入、技術的成熟和成本的大幅度下降，使得基因組學的研究逐漸由人類的基因組學擴展到動物、植物等多個相近領域。利用高性能計算在基因組學方面成熟的應用軟件開展中藥植物藥的基因組學研究未來有可能是高性能計算在中醫藥領域的重要應用。

3.2 中藥新藥的虛擬藥物篩選

利用高性能計算進行虛擬藥物篩選目前已經成為西藥新藥開發的一條嶄新和重要的途徑。新藥研發的核心工作之一是從大量的化合物樣品庫中發現有藥理活性的化合物，計算機虛擬篩選輔助新藥開發是利用統計學和分子模型化技術來指導新的先導結構的發現或設計，從而減少實驗室的工作量，縮短開發周期、降低開發成本。近年來對多靶點藥物的研究已經成為國際上新藥開發的一個重要的研究熱點，中藥是天然的多靶點藥物，蘊含著巨大的新藥創制的潛力[5-6]。應用高性能計算開展中藥新藥的虛擬藥物篩選有可能成為中藥新藥開發的嶄新途徑。

3.3 中醫藥數據挖掘和大數據分析

數據挖掘是從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的、隨機的實際應用數據中，提取隱含在其中的、人們事先不知道的、但又是潛在有用的信息和知識的過程。大數據分析是指對規模巨大的數據進行分析，目前世界各國對大數據分析技術高度重視，大數據被視為國家重要的戰略資源。數據挖掘和大數據分析是高性能計算應用的重要領域之一。目前中醫藥領域的數據挖掘和大數據分析主要集中在對方劑配伍規律、中醫證治規律等的研究，現有的研究水平還不能構成對高性能計算的迫切需求。隨著數據挖掘和大數據分析在中醫藥領域應用水平的提高，數據研究的內容、方法和結果的日趨豐富，隨著數據量的積累和研究方法復雜度的提高，中醫藥數據挖掘和大數據分析未來有可能成為高性能計算在中醫藥領域富有潛力的應用。

3.4 模擬與仿真

模擬與仿真是依靠計算機通過數值計算和圖像顯示的方法，對工程、物理、生物等各類問題進行研究。高性能計算不僅具有強大的計算功能，還可以模擬或代替由于受經濟或者其他條件限制不能進行的實驗。2013年10月，哈佛大學教授Martin Karplus、斯坦福大學教授Michael Levitt和南加州大學教授Arieh Warshel因“為復雜化學系統創立了多尺度模型”而獲得諾貝爾獎，評委會聲明中稱這一成果意味著對于化學家來說計算機已經成為同試管一樣重要的工具[1]。

計算機模擬方法在生命科學中已經得到了迅速的發展和廣泛的應用。高性能計算應用領域的最高學術獎戈登獎獲獎項目“在20萬CPU核和異構體系結構上的千萬億次持續性能血流模擬”，該項目模擬了血液流動狀態，可以輔助血栓的早期病理學診斷及抗血栓藥物的研究。另一項獲獎項目“呼之欲出的貓：包含109規模神經元、1013規模突觸的大腦皮質模擬”，對神經元和突觸規模與貓大腦相當的大腦皮質功能進行了模擬，并以此為基礎開展了認知計算的研究[3]。此外國內外大量的高性能計算被用于分子動力學模擬，分子動力學模擬是一種數值模擬方法，通過將分子抽象為由化學鍵連接的質點按照基于牛頓力學的數學模型迭代求解分子體系的行為。利用高性能計算進行分子動力學模擬已經成為化學和生物學研究中與實驗手段相當的標準研究方式[7-8]。模擬和仿真技術在中醫藥研究中的應用未來有可能成為高性能計算在中醫藥領域創新性的應用。

4 小結

高性能計算的應用是使高性能計算真正發揮作用的軟實力，是高性能計算領域重要的研究內容。高性能計算的應用需要多學科的交叉與合作，計算生物學的產生標志著高性能計算在生物醫學領域得到了成功應用。

高性能計算在中醫藥領域的應用目前還處于探索階段，尚不具備大規模應用的條件和基礎。未來有可能通過借鑒計算生物學的研究方法在中藥植物藥的基因組學、中藥新藥的虛擬藥物篩選、中醫藥數據挖掘和大數據分析、模擬與仿真等領域進行開創性的應用研究。高性能計算在中醫藥領域的應用將會對中醫藥科研方法的創新與發展產生深刻的影響。

參考文獻

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