É a maior parceria de computação público-privada já criada, uma grande colaboração contra o desafio de nossos tempos. Ele espera minimizar o impacto desta crise, ajudar a entender como a Covid-19 se espalha e como evitá-la.

Nunca tivemos nada parecido, mas ainda temos muito a fazer.

O Consórcio de Computação de Alto Desempenho Covid-19 começou com um telefonema. Nos primeiros dias do vírus, o diretor de pesquisa da IBM, Dario Gil, usou suas conexões com a Casa Branca para ligar para o Escritório de Política de Ciência e Tecnologia e perguntar como sua empresa poderia ajudar.

Logo, o Departamento de Energia, lar da maioria dos supercomputadores mais poderosos do mundo, foi trazido, junto com a NASA, todos procurando trabalhar juntos.

“Os princípios foram delineados muito rapidamente”, Dave Turek, chefe da exascale da IBM na época, disse. “Precisamos unir nossos recursos. Os projetos têm que ter mérito científico, tem que haver urgência por trás, tudo tem que ser gratuito e tem que ser muito, muito rápido ”.

O grupo criou um site e enviou um comunicado à imprensa. "Assim que avisamos que estávamos fazendo isso, o telefone se iluminou", disse Turek.

Logo, todos os principais provedores de nuvem e fabricantes de supercomputação estavam a bordo, junto com designers de chips e mais de uma dúzia de institutos de pesquisa.

Imediatamente, os pesquisadores puderam obter acesso a 30 supercomputadores com mais de 400 petaflops de desempenho, tudo de graça. Desde então, ele se expandiu para 600 petaflops e espera-se que continue a crescer - até mesmo adicionando sistemas exascale em 2021, se necessário.

Configurando os servidores

O próximo desafio foi a velocidade. Não faz sentido reunir todo esse poder se as pessoas não podem acessá-lo, e com o vírus se espalhando mais a cada dia, qualquer perda de tempo seria uma tragédia.

O grupo teve que formar rapidamente um aparato burocrático que pudesse organizar e rastrear tudo o que estava acontecendo, sem atolar com, bem, muita burocracia.

“Há três partes nisso”, explicou o subsecretário de Energia para a Ciência, Paul Dabbar. “Tem o comitê executivo presidido por mim e por Dario Gil, que trata muito da estrutura de governança.”

Em seguida, vem o Comitê de Ciência, que “analisa as propostas que chegam, em geral em cerca de três dias”, disse. “Um processo típico de acompanhamento de doações, com apresentações, revisão por pares e seleção, leva cerca de três meses. Não podemos demorar tanto. ”

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Depois disso, as propostas de pesquisa aceitas são enviadas ao Comitê de Alocação de Computação, que define em quais sistemas as propostas devem ser executadas - seja no supercomputador Summit 200 petaflops ou em um data center de provedor de serviços em nuvem.

“Desde o início de fevereiro, quando tivemos o primeiro projeto Covid na Summit, tivemos centenas de milhares de horas de nó na máquina mais poderosa do mundo, dedicadas especificamente a este problema”, diretor de ciência da Oak Ridge Computing Facility, Bronson Messer disse.

Embora o sistema Fugaku de 415 petaflops do Japão neste verão tenha superado a Summit no ranking Top500, ele não está totalmente operacional - 'apenas' 89 petaflops estão disponíveis atualmente, que também estão sendo dedicados ao consórcio.

“Meu papel é facilitar que os pesquisadores aceleram sobre a Summit e se movam em direção ao que eles realmente querem fazer o mais rápido possível”, disse Messer

Usar um sistema tão poderoso não é uma tarefa simples, o diretor de biofísica molecular de Oak Ridge, Dr. Jeremy Smith, explicou: “Não é fácil usar a capacidade total de um supercomputador como a Summit, usar GPUs e CPUs e fazer com que todos conversem entre si portanto, eles não ficam ociosos por muito tempo. Portanto, temos um grupo de supercomputação que se concentra na otimização do código para execução rápida no supercomputador ”, que trabalha em colaboração com a IBM e a Nvidia no código.

Investigadores principais de projetos de pesquisa (PIs) podem sugerir em quais sistemas eles gostariam de trabalhar, com base em requisitos específicos ou em experiências anteriores com máquinas individuais ou com provedores de nuvem.

A Summit, com seu incrível poder, é geralmente reservada para certos projetos, disse Messer. “Um bom projeto Summit, além de tudo, é aquele que pode realmente fazer uso de arquiteturas de nós híbridos, pode realmente usar GPUs para fazer a computação. E a outra parte é a escalabilidade. Ele realmente precisa ser um problema que deve ser dimensionado em muitos nós.

“Esses são os tipos de problemas que estou mais animado em ver-nos resolver, porque ninguém mais pode fazer coisas que precisam de um grande número de nós de computação, todos computando de forma orquestrada.”

Enquanto isso, Smith tem usado a Summit contra a Covid-19 desde antes do consórcio ser formado. "No final de janeiro, ficou claro que poderíamos usar supercomputadores para tentar calcular quais produtos químicos seriam úteis como drogas contra a doença", disse ele.

Ele se juntou ao pesquisador de pós-doutorado Micholas Smith (sem parentesco) para identificar compostos de drogas de pequenas moléculas de valor para testes experimentais. "Micholas prontamente adoeceu com uma gripe", disse Smith. "Mas você ainda pode fazer seus cálculos quando está com gripe e na cama com febre, certo?"

Os pesquisadores realizaram cálculos em mais de 8.000 compostos para encontrar aqueles que tinham maior probabilidade de se ligar à proteína spike primária de Covid-19 e impedir o funcionamento do ciclo de vida viral, publicando a pesquisa em meados de fevereiro.

A mídia, ávida por notícias positivas em meio à crise, saltou por cima da história - embora muitos descaracterizassem o trabalho como uma vacina, ao invés de um passo em direção ao tratamento terapêutico. Mas a atenção e o claro progresso que a pesquisa mostrou ajudaram a lançar as bases para o consórcio.

Ainda não estamos no estágio em que um supercomputador poderia simplesmente encontrar uma cura ou tratamento por conta própria; eles são apenas parte de um esforço mais amplo - com grande parte da pesquisa atual focada na redução do tempo e do custo do trabalho de laboratório.

Simplificando, se os pesquisadores em 'laboratórios úmidos' que trabalham com componentes físicos estão procurando agulhas em um enorme palheiro, o trabalho de Smith reduz a quantidade de feno que eles precisam peneirar "para que haja uma concentração maior de agulhas", disse ele.

“Você tem um banco de dados de produtos químicos e, a partir dele, cria um novo banco de dados enriquecido em resultados, ou seja, produtos químicos.”

Na equipe de Smith, “temos um subgrupo que faz modelos de computador de alvos de drogas a partir de resultados experimentais. Outro que faz essas simulações no supercomputador Summit e um grupo de acoplamento que acopla esses produtos químicos ao alvo - podemos acoplar um bilhão de produtos químicos em um dia. ”

Embora o poder de computação e os métodos de simulação tenham melhorado notavelmente na última década, “eles ainda deixam muito a desejar”, ​​disse Smith. “Em média, erramos nove vezes em 10. Se eu disser 'este produto químico vai se ligar ao alvo', nove vezes em 10 isso não acontecerá. Portanto, os experimentalistas ainda precisam testar um bom número de produtos químicos antes de encontrarem um que realmente se ligue ao alvo. ”

Claro, há uma grande margem de erro, mas trata-se de reduzir o número de uma faixa astronomicamente maior. “Isso reduz o custo significativamente”, disse o Dr. Jerome Baudry.

“Custa US $ 10-20 dólares para testar uma molécula, então se você tem um milhão de moléculas para triar, vai custar US $ 20 milhões e levar muito tempo - apenas tentando encontrar a agulha potencial no palheiro,” ele disse. “Ninguém faz isso nessa escala, mesmo as grandes empresas farmacêuticas. É muito complicado encontrar esse tipo de mesada para começar uma expedição de pesca. ”

Em vez disso, a pesca pode acontecer em uma taxa mais rápida, embora menos precisa, em um supercomputador. Em tempos normais, esse esforço é mais barato do que em um laboratório, mas agora "é totalmente gratuito". Para Baudry, isso se mostrou surpreendente: "Quando, como eu, você recebe um computador desses e a incrível experiência em torno dele e ninguém está pedindo para você enviar um cheque, bem, não quero parecer muito dramático, mas o valor está em meses economizados. ”

Na Universidade do Alabama em Huntsville, Baudry está trabalhando em sua própria pesquisa - bem como colaborando com a equipe de Smith.

“Estamos tentando modelar os processos físicos que realmente acontecem no laboratório, no tubo de ensaio, durante a descoberta do medicamento”, disse Baudry.

“A descoberta começa tentando encontrar pequenas moléculas que se encaixem na superfície de uma proteína. Muitas doenças que somos capazes de tratar farmaceuticamente são [causadas por] uma proteína que ou não está funcionando, ou está funcionando muito bem, e coloca uma célula em hiperatividade, o que pode ser a causa do câncer ”.

Normalmente, o tratamento envolve o uso de "pequenas moléculas que se encaixam na superfície da proteína e restauram sua função se ela não estiver mais funcionando, ou bloqueiam seu funcionamento muito rápido se estiver funcionando muito rápido", disse Baudry.

Essencialmente, os pesquisadores precisam encontrar uma chave que vai para a fechadura da proteína que "não apenas abre a porta, mas abre a porta na taxa certa da maneira certa, em vez de não abrir a porta ou abrir o porta o tempo todo. ”

A analogia, é claro, tem seus limites: “É mais complicado do que isso porque você tem milhões de fechaduras e milhões de chaves, e a própria fechadura muda de forma o tempo todo”, disse Baudry. “As proteínas se movem no picossegundo - então, milhares de bilhões de segundos mais tarde na vida de uma proteína, e a forma da fechadura já será diferente.”

Tudo isso precisa ser simulado, com incontáveis ​​moléculas diferentes correspondendo a incontáveis ​​iterações da proteína. “Portanto, são muitos cálculos, de fato - não há como fazermos isso na Terra sem um supercomputador em um bom nível.”

A abordagem natural

Usando o supercomputador Sentinel da HPE, disponível através do Microsoft Azure, a equipe de Baudry publicou uma lista de 125 produtos de ocorrência natural que interagem com proteínas de coronavírus e podem ser considerados para desenvolvimento de drogas contra Covid-19. O acesso ao sistema e a ajuda na otimização de seu uso foram fornecidos gratuitamente pela HPE e pela subsidiária Cray.

“Os produtos naturais são moléculas feitas por seres vivos - plantas, fungos, bactérias; às vezes estudamos animais, mas é raro. ”

Baudry está olhando para essa área, em colaboração com o Centro Nacional de Produtos Naturais, pois são “moléculas que já sobreviveram ao teste de bilhões de anos de evolução”.

Criar uma droga inteiramente nova é sempre um pouco arriscado porque "pode ​​funcionar maravilhosamente bem no tubo de ensaio, mas quando você o coloca no corpo, às vezes você percebe que está mexendo com outras partes da célula", ele disse. “Essa é a razão pela qual a maioria dos medicamentos falham em testes clínicos, na verdade.

Os produtos naturais têm suas próprias desvantagens e podem ser venenosos em sua própria maneira, é claro, mas as moléculas “estão trabalhando em algum lugar em algum organismo sem matar o inseto ou a planta - então já cruzamos muitas caixas para uso potencial. ”

A equipe de Baudry é o “único grupo que usa produtos naturais para Covid-19 nessa escala, até onde eu sei”, disse ele. “Como esta máquina é tão poderosa, podemos filtrar muitos deles.”

Em todo o mundo, os pesquisadores são capazes de rastrear moléculas, prever a propagação da Covid e simular modelos econômicos de distanciamento social com mais recursos do que nunca.

A abordagem da nuvem

“Lembro-me que nas primeiras semanas [do vírus], não pensamos muito sobre o que estava acontecendo com o preço-desempenho e tudo isso - continuamos recebendo solicitações e oferecendo GPUs e CPUs,” produto de rede do Google Cloud Lakshmi Sharma, chefe da administração, disse.

O membro do consórcio deu enormes quantidades de computação aos pesquisadores, incluindo mais de 80.000 nós de computação para um esforço de pesquisa da Harvard Medical School. “Não pensamos de onde vinha o pedido, contanto que ajudasse na descoberta da droga, contanto que ajudasse no rastreamento do contato, ou qualquer coisa assim.”

Ela acrescentou: “Acabamos de entrar neste modo de servir primeiro e os negócios depois.”

É uma atitude compartilhada por todos no consórcio - e conversas off-the-record com pesquisadores martelaram que tais comentários não eram apenas exercícios de RP, mas que os rivais estavam realmente trabalhando juntos para o bem comum.

“Agências governamentais trabalhando juntas isso é bastante normal, certo?”, Disse o subsecretário Dabbar. “Considerando o quanto financiamos a academia, trabalhar com os MITs e a Universidade de Illinois do mundo também é algo cotidiano.”

Mas envolver o setor privado de uma forma que não envolva acordos contratuais e incentivos financeiros “não tem sido a interação normal”, disse ele.

“Google, AWS, HPE, IBM, Nvidia, Intel - estão todos trabalhando juntos, contribuindo gratuitamente para ajudar a resolver isso. É muito positivo, como membro da humanidade, que pessoas que normalmente são concorrentes agora contribuam de graça e trabalhem juntas. Eu acho isso incrível. ”

Essa solidariedade vai além do nível corporativo. Embora o consórcio tenha começado como um caso nos Estados Unidos, ele trouxe oficialmente institutos de pesquisa estaduais sul-coreanos e japoneses, tem uma parceria com a PRACE da Europa e está se associando a instituições acadêmicas na Índia, Nepal e em outros lugares.

“Parte disso foi diplomacia pró-ativa”, disse Dabbar. “Usamos o G7 apenas para processar muito disso.

Cooperação global, com uma ressalva

Mas ainda existe uma grande potência de supercomputação que não está envolvida no consórcio: a China. Aqui, verifica-se que há limites para a camaradagem da colaboração.

“Acho que somos muito cautelosos quanto a pesquisas com a China dirigida pelo Partido Comunista”, disse Dabbar. “Certamente temos problemas de segurança”, acrescentou ele, referindo-se a relatórios de que o país estava por trás de hacks nos laboratórios de pesquisa da Covid-19.

“Mas eu acho que há um ponto mais amplo, muito mais amplo do que o tópico estreito da Covid e do consórcio - os Estados Unidos têm uma cultura de ciência aberta e esse tipo de equilíbrio cuidadoso entre colaboração e competição, que veio da Europa em meados para o final 1800 ”, disse ele.

“Acontece que um certo governo está administrando de uma certa maneira olhando para ciência e tecnologia de forma muito diferente do modelo que seguimos, incluindo falta de transparência e apropriação ilícita de tecnologia. É difícil [para nós] trabalhar com uma entidade como essa. ”

As autoridades chinesas negaram que seu país esteja por trás desses ataques. No início deste ano, o país introduziu regulamentos sobre a pesquisa Covid-19, exigindo a aprovação do governo antes de publicar os resultados. Alguns afirmam que a medida foi para melhorar a qualidade dos relatórios, outros dizem que é uma tentativa de controlar as informações sobre o início da pandemia.

Os supercomputadores nacionais da China estão sendo usados ​​para os esforços de pesquisa da própria Covid, enquanto algumas universidades chinesas estão usando a 'Rede Boa Esperança' russa, que fornece acesso a 1,3 petaflops de computação.

Mas, por mais que essa história seja sobre cooperação e competição internacional, sobre supercomputadores do tamanho de um campo de futebol e corporações de bilhões de dólares - também é sobre pessoas.

Os homens e mulheres que trabalham nos laboratórios e nos supercomputadores enfrentam o mesmo tributo diário sentido por todos nós. Eles veem a notícia, têm parentes com o vírus; alguns podem sucumbir.

Muitos dos pesquisadores com quem falamos oficialmente e em off estavam claramente cansados, nenhum foi pago para participar do consórcio (onde os membros se encontram três dias por semana) e muitos tiveram que continuar seus outros trabalhos de laboratório e segurança nacional, tentando equilibrar a crise repentina com as obrigações existentes.

Todos com quem falou fizeram questão de observar que, embora a colaboração e o acesso aos recursos fossem profissionalmente surpreendentes, não eram nada quando comparados ao trágico impacto pessoal de Covid-19 sentido em todo o mundo.

Mas eles esperam que seu trabalho possa construir a estrutura para garantir que isso nunca aconteça novamente.

Há anos existe uma crise contínua no desenvolvimento de medicamentos”, disse Jim Brase, vice-diretor associado de computação do Laboratório Nacional Lawrence Livermore. “Não estamos desenvolvendo novos medicamentos.”

Brase, que chefia o projeto de vacinas e anticorpos de seu laboratório para a Covid, também lidera um consórcio mais antigo, o grupo Accelerating Therapeutics for Opportunities in Medicine. ATOM foi originalmente criado para se concentrar no câncer e, embora esse continue sendo um aspecto significativo de seu trabalho, a parceria se expandiu para "construir uma plataforma geral para o projeto computacional de moléculas".

Na pesquisa farmacêutica, “há muitas áreas negligenciadas, sejam cânceres raros ou doenças infecciosas no terceiro mundo”, disse ele. “E se construirmos esse tipo de plataforma para dados abertos, pesquisa aberta e [darmos à academia] ferramentas de descoberta de medicamentos para fazer muito mais do que podem fazer hoje, ferramentas que tradicionalmente estão enterradas dentro de grandes empresas farmacêuticas ... elas poderiam trabalhar em projetos de design molecular para medicamentos para o bem público. ”

No momento, grande parte do trabalho de pesquisa de drogas da Covid está focado em ganhos de curto prazo, por uma razão óbvia - estamos lidando com um desastre e estamos tentando encontrar uma saída o mais rápido possível. “O ATOM se tornará o repositório de alguns dos ganhos rápidos que obtivemos, devido ao foco que tivemos nisso nos últimos meses”, disse Brase. “Acho que isso aumentará muito o ATOM, que é de longo prazo.”

O objetivo é transformar o ATOM em um “esforço sustentado no qual estamos trabalhando na criação de conjuntos de moléculas para amplas classes de coronavírus”, disse Brase. “Onde entendemos sua eficácia, como eles envolvem os vários alvos virais, quais são suas propriedades de segurança, quais são suas propriedades farmacocinéticas e assim por diante. Então, estaríamos preparados para colocá-los rapidamente em testes e monitorá-los ”.

Para cumprir essa visão, é necessário um design baseado em computação, apenas possível em supercomputadores poderosos. “É isso que estamos tentando fazer com esta plataforma”, disse ele. “Demonstramos que podemos fazer projetos moleculares e validar os resultados disso - em escalas de tempo de semanas, não de anos. Estamos confiantes de que isso funcionará em algum nível. ”

As grandes empresas farmacêuticas também estão se empenhando em um design baseado em computação. “Mas eles têm muita dificuldade em sustentar os esforços nas classes-alvo de doenças infecciosas, o modelo de negócios não funciona muito bem.”

O plano mais longo

Em vez disso, ATOM - ou um projeto como este - precisa ser executado no interesse público, como uma parceria público-privada “que na verdade permanece focada nisso e está trabalhando em amplas classes antivirais de agentes antibacterianos, novos antibióticos e assim por diante, ”Brase acredita.

“Acho que em dois ou três anos, poderemos estar em uma forma muito melhor, sendo capazes de lidar com uma resposta rápida a algo como isso”, disse ele. “Não será para esta crise, infelizmente, embora esperemos que isso aponte a necessidade urgente de continuar trabalhando nisso.”

Turek da IBM também prevê “o início deste tipo de investigação digital focada de ameaças biológicas teóricas: se eu puder operar o vírus digitalmente e entender como ele funciona e como derrotá-lo, então não preciso me preocupar com sua fuga o laboratório - faz todo o sentido se você pensar sobre isso. ”

Mas em um ano em que pouco fez sentido, em que governos e indivíduos muitas vezes falharam em fazer o que parecia lógico, é difícil saber o que acontecerá a seguir.

A questão permanece se, quando finalmente vencermos a Covid-19, haverá um compromisso sustentado para evitar que um evento semelhante aconteça novamente - ou se velhas rivalidades, preocupações financeiras e outras distrações farão com que os esforços desmoronem.

Turek continua esperançoso: “Se alguém surgisse com uma vacina para Covid-19 amanhã, não acho que as pessoas iriam se sentar e dizer, 'bem, isso é feito, vamos voltar ao que estávamos fazendo antes' ... Certo ? ”

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