英偉達始終在布局可以消耗大量算力的賽道。自2023年以來，英偉達開始頻繁在AI制藥領(lǐng)域投資出手，今年年初，黃仁勛稱“學(xué)計算機的時代過去了，生命科學(xué)才是未來”，一下把又生命科學(xué)抬到了全球矚目的高度，媒體和投資人都在紛紛研究生命科學(xué)、生物計算的技術(shù)方向，期待能在賽道中找到細分領(lǐng)域也分一杯羹。
在生命科學(xué)領(lǐng)域中，有一個正在被低估的技術(shù)，就是分子動力學(xué)。
分子動力學(xué)(Molecular Dynamics，簡稱MD)分是一種發(fā)展了幾十年的計算機模擬實驗方法，它基于經(jīng)典力學(xué)原理，特別是牛頓運動定律，來追蹤和預(yù)測大量粒子(如原子和分子)在給定條件下的運動和相互作用。
這種方法在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)，尤其是生命科學(xué)中有著廣泛應(yīng)用，因為它能夠科學(xué)家在原子和分子層面上研究生物大分子(如蛋白質(zhì)和DNA)的動態(tài)行為，這對于理解生物分子的功能機制、加速新藥研發(fā)、探索疾病成因及生物技術(shù)創(chuàng)新至關(guān)重要。
既然分子動力學(xué)如此強大，為何幾十年來一直被忽視呢?計算效率不足是限制其無法進行商業(yè)化的主要原因。
雖然分子動力學(xué)模擬可以較為準確的模擬分子的運動，在模擬分子構(gòu)象、折疊等方面具有較高的準確性，但分子動力學(xué)模擬存在兩個弊端，首先分子力場計算非常耗時，且參數(shù)擬合非常復(fù)雜。其次，分子動力學(xué)模擬很難在大的生物尺度上進行模擬。
舉例來說，人體內(nèi)典型的大分子蛋白質(zhì)往往由幾十萬到上百萬個原子構(gòu)成，假設(shè)我們用分子動力學(xué)模擬方法計算一個50萬原子的蛋白質(zhì)運動0.001秒的“影片”，哪怕用上1000顆主流CPU并行計算，都需要耗費超過100年的時間。這個巨大的限制讓分子動力學(xué)的方法在過去一直都沒法成為研究界的主流。
其實，英偉達十多年前就致力于為分子動力學(xué)模擬加速。早在2007年，位于Urbana-Champaign的美國伊利諾伊大學(xué)的研究人員就使用了英偉達的 GPU 產(chǎn)品用于計算生物分子、離子的相互作用，結(jié)果是運算速度比過去采用CPU集群提高了100倍。在同一年，英偉達還設(shè)計研發(fā)出能夠使GPU解決復(fù)雜計算問題的通用并行計算架構(gòu)CUDA。CUDA能夠加快分子動力學(xué)模擬軟件AMBER的模擬速度。
而在2013年，分子動力學(xué)在計算效率方面的窘境終于迎來了突破性的轉(zhuǎn)機。在這一年，美國D. E. Shaw研究所發(fā)布了超級計算機安騰第二代，能夠?qū)崿F(xiàn)在微秒至毫秒級時間段內(nèi)對蛋白質(zhì)動態(tài)運動的模擬，相當于捕捉到蛋白質(zhì)運動的動態(tài)“影片”。
超級計算機安騰的軟硬件設(shè)計專為分子動力學(xué)加速而生，從硬件層面的芯片、主板、布線，到軟件層面的專用軟件Desmond的開發(fā)，均是由D. E. Shaw研究所特殊設(shè)計的。此外，通過特殊定制的ASIC專用芯片，安騰能夠盡可能地減少數(shù)據(jù)的傳輸和運算，在芯片上精細化地分區(qū)域、分精度分配計算不同任務(wù)，從而一舉突破制約分子模擬速度的瓶頸——原子間相互作用力的計算。這種專用化設(shè)計使得安騰在執(zhí)行MD模擬時的速度比最快的通用超級計算機快1000倍以上，極大地縮短了從藥物發(fā)現(xiàn)到臨床前研究的時間和成本。
這預(yù)示著一個屬于分子動力學(xué)的春天來了。
2016年，超算安騰幫助美國AI制藥公司Relay Therapeutics成功研發(fā)了一款治療膽管癌的藥物，一舉打破了藥物研發(fā)領(lǐng)域的“雙十”魔咒，僅用18個月、不到1億美金就確認了一款用于治療膽管癌的高選擇性FGFR2抑制劑藥物RLY-4008的結(jié)構(gòu)，并且順利進入了美國FDA的臨床II期試驗，極大程度地縮短了從藥物發(fā)現(xiàn)到臨床前研究近90%的投入時間和成本。
2020年3月，D.E. Shaw研究所公開了對新冠病毒3CL蛋白酶長達100微秒的分子動力學(xué)模擬動畫及相關(guān)數(shù)據(jù)，這為科研人員深入理解新冠病毒的生命周期內(nèi)在機制以及研發(fā)針對性的3CL蛋白酶抑制劑提供了極為珍貴的理論支撐。一般而言，如此大規(guī)模的模擬項目若依賴現(xiàn)有的頂級超級計算機集群，執(zhí)行時間會橫跨數(shù)年之久;但借助于專門用于分子動力學(xué)加速的超算安騰，這項艱巨的任務(wù)僅在短短數(shù)周內(nèi)高效完成。
可見，在算力突破與專用超算的雙重驅(qū)動下，分子動力學(xué)的應(yīng)用范圍和影響力正在不斷擴大。
分子動力學(xué)軟件市場的增長反映了這一領(lǐng)域的發(fā)展勢頭。據(jù)QYResearch市場研究報告顯示，得益于技術(shù)進步、對藥物發(fā)現(xiàn)的不斷需求增加，以及全球慢性病患者數(shù)量的上升，預(yù)計2030年全球分子動力學(xué)軟件市場銷售額將達到4.1%的年復(fù)合增長率。
此外，分子動力學(xué)的影響力不僅深入到醫(yī)藥、生物工程等傳統(tǒng)領(lǐng)域，還在新興的合成生物學(xué)、精準醫(yī)療、個性化藥物設(shè)計等方面展現(xiàn)出巨大潛力。這些新興領(lǐng)域要求對生物分子的交互有更深層次的理解和預(yù)測能力，分子動力學(xué)模擬正好填補了這一空白，它使得科研人員能夠以前所未有的精確度和效率探索分子世界。
在材料研發(fā)領(lǐng)域，分子動力學(xué)可以幫助科研人員加速新材料研發(fā)，特別是在納米材料、智能材料、以及高性能復(fù)合材料的設(shè)計與優(yōu)化。通過模擬原子和分子層面的交互，科研人員能夠預(yù)測材料的宏觀性質(zhì)，如強度、韌性、導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性，無需經(jīng)過大量的實驗試錯過程，加速了從理論到實際應(yīng)用的轉(zhuǎn)化速度，推動了材料領(lǐng)域的科技進步和產(chǎn)業(yè)升級。
分子動力學(xué)也在能源領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，助力科學(xué)家設(shè)計更高效的太陽能電池和燃料電池，為可持續(xù)能源解決方案提供了重要的理論支撐。
可見，隨著計算資源與計算效率的不斷突破，分子動力學(xué)的價值正在逐漸被重新評估與發(fā)掘，將成為驅(qū)動各行各業(yè)實現(xiàn)創(chuàng)新突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。
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