Nationellt Superdatorcentrum vid Linköpings universitet nr 21 mars varje riktning, högre än någon annat interconnect

Transkript

1 Nytt från Nationellt Superdatorcentrum vid Linköpings universitet nr 21 mars 2005 Deltagarna från projektet poserar framför Blixt (till höger i bild): Torgny Faxén, Peter Kjellström, Per Lundqvist från NSC och Lars Häggmark, Lars Meuller från SMHI. På bilden saknas Tomas Wilhelmsson, SMHI. Säkrare prognoser med ny väderdator på SMHI Tidigt 2004 startades Blixt-projektet inom samarbetsavtalet NSC SMHI. Målet var klart: SMHI behövde mer beräkningskraft för sina prognosberäkningar. Varje dygn gör SMHI fyra prognosberäkningar för vädret och två för haven. De observationer som är grunden för prognoserna kan med ny metodik utnyttjas bättre än tidigare och därigenom möjliggöra att man kan väga samman observationer från olika tidpunkter i mer exakta nulägesbeskrivningar. Problemet var bara att detta skulle komma att kräva betydligt mer omfattande beräkningar, cirka 5 6 mer än vad de tillgängliga datorerna kunde prestera. I Blixt-projektet gjordes en noggrann prestanda analys av de numeriska modeller som skulle komma att användas. En dedicerad testmaskin kallad Pust införskaffades och fick genomgå några olika uppgraderingar innan det fanns en teknisk lösning som bedömdes klara de ställda prestandakraven inom den givna budgeten: ett Linux-kluster baserat på Intel EM64T Xeon-processorer med Infiniband som interconnect. Huvudapplikationen Hirvda gör stora transponeringar av matriser som är distribuerade över hela klustret vilket resulterar i höga krav på bandbredd. Infiniband över PCI-Express ger upp till 10 Gbit/sekund i varje riktning, högre än någon annat interconnect på marknaden. Väderdatorn är specialdesignad för sitt ändamål. Att utnyttja kluster har kommit på bred front då det ger kraftfull och effektiv datorkapacitet till ett lågt pris. Vi är redan pionjärer inom utveckling och användning av kluster för prognosberäkningar och tar genom detta nya system ett stort kliv framåt internationellt sett, säger Torgny Faxén, projektledare vid NSC. Blixt levereras och installeras av Advanced Computer Technology AB, ACT, i Linköping. Med denna beställning bekräftar ACT en ledande position som leverantör av datorsystem för krävande tekniska beräkningar, säger Ramiz Zand, VD Advanced Computer Technology. ACT har tidigare levererat ett flertal kluster, däribland NSCs Monolith som tidigare var Sveriges mest kraftfulla datorsystem. Blixt installeras nu för uttestning på NSC för att senare under våren tas i drift på SMHI. Testkörningar som gjorts visar att förväntade prestanda inte bara uppnåtts utan överträffats. Körningarna har redan påverkat inriktningen på det fortsatta utvecklingsarbetet genom att ge visa vad som händer när man använder ett stort Modellering av fotodynamiska läkemedel och fototoxiska processer Fotodynamiska processer har rönt allt större uppmärksamhet inom medicin, med tilllämpningar inom en rad områden. Metoden används t.ex. för att rena blodprodukter (pathogen eradication technology), för att behandla vissa typer av cancer och hudåkommor, samt för att oskadliggöra virus. Metoden går ut på att tillföra ett fotosensitivt ämne, en antenn för strålning, som kan leda ner och omvandla denna energi till reaktivitet i vävnaden; antingen via direkt fotoinducerad reaktion mellan sensitiserare och målmolekyl, eller via överföring av excitationsenergi eller elektroner till molekylärt syre som i sin tur reagerar med molekyler i sin omgivning. Beroende vilken typ av vävnad eller system som ska behandlas kan olika föreningar användas eftersom strålning med olika våglängd tränger olika långt ned i vävnaden. Det är många gånger fördelaktigt att använda föreningar som t.ex. är inaktiva Leif Eriksson är docent i Biofysikalisk kemi vid Örebro universitet. i synligt ljus, men som kan aktiveras genom att efter tillförandet utsätta föreningen för strålning i området nm (UV-A/ UV-B). Detta är också ett problem, i det att vissa läkemedel kan fungera som oönskade antenner, och således skapa kaskader av reaktiva syreföreningar (RS) då dessa utsätts för UV-strålning. Exempel på detta är smärtlindrande och anti-inflammatoriska salvor (t.ex. Zon, rudis, Ipren, Ibumetin, m.fl.), där det är viktigt att patienten forts sid 2 forts sid 3

2 Ett år på NSC Sven Stafström föreståndare NSC Efter ett år på NSC finns det anledning att titta både tillbaka och framåt. Det har varit ett otroligt givande år för mig personligen, jag har lärt känna många nya mycket kompetenta medarbetare och lärt mig massor om HPD. Min roll är inte att utveckla eller drifta system, inte heller att svara på supportärenden eller att hjälpa våra användare med sina koder. Däremot är det mycket viktigt för mig och för min roll att ha en god insikt i vad dessa aktiviteter innebär. Det tycker jag att jag har fått under detta år. Jag hade från min bakgrund som forskare inom beräkningsfysik en relativt god kännedom om den akademiska delen av våra användare. Bekantskapen med Saabs och SMHI:s verksamheter har dock varit en ny och givande erfarenhet. Jag är också helt övertygad om att vi kan och bör hitta fler partners av detta slag bland beräkningstunga svenska eller varför inte nordiska eller europeiska företag och institut. Det känns verkligen att vi jobbar inom ett expansivt område där vi själva är med och formar framtidens beräknings- och lagringsresurser. Framför oss ligger en mycket spännande tid. Just nu bygger vi upp kunskap om lagring och vi kommer snart att mycket kraftigt utöka NSC:s lagringsresurser. Sedan förra numret har vi kört igång två nya klusterresurser: Green och Blixt, den senare Sveriges första HPD-resurs med Infiniband-nätverk. Blixt är redan omtalad i SR P3, tack Annika Lantz för uppmärksamheten! Dessa resurser beskrivs kortfattat i detta nummer av Nytt från NSC. NSC har alltid haft en stark koppling och ett gott samarbete med kvantkemister. Det är därför mycket glädjande att kunna presentera detta nummers huvudartikel från en av våra trogna kvantkemianvändare, Leif A. Eriksson, som förresten också har ett NSC-designat kluster hemma i Örebro. Avslutningsvis, som en om inte infödd så i alla fall gammal Linköpingsbo kan jag inte avhålla mig från att utropa, heja LHC! Vinner ni elitserien skall vi allvarligt fundera på att ta efter Pittsburgh Supercomputing Center och döpa en av våra datorer efter lagets stjärna och färglägga den i lagets färger. forts fr sid 1 antal processorer och hur man bäst kan utnyttja dessa. Den bättre kartläggningen ger förutsättningar för säkrare prognoser, framförallt av lågtrycksutveckling upp till två dygn framåt, säger Lars Häggmark, meteorolog vid SMHI. Blixt-projektet är en del i samarbetet mellan NSC och SMHI som även omfattar beräkningar inom forskning och utveckling, till exempel klimatberäkningar, såväl som drift av dessa system. Tekniska fakta Blixt är ett Linux-kluster med 60 beräknings-servrar, där varje maskin är utrustad med två stycken 3,2 gigahertz Intel Xeonprocessorer och 2 gigabyte primärminne, totalt 120 processorer och 120 gigabyte primärminne. Den teoretiska topprestandan blir 768 gigaflop/sekund (768 miljarder flyttalsoperationer per sekund). Infinibandnätverket kommer från Mellanox och norska Scali A/S levererar MPI-biblioteket Scali MPI Connect som behövs för att prognosberäkningarna skall kunna kommunicera över nätverket. För att kunna spara och bearbeta utdata från väderkörningarna har den nya datorn ett disklager på 5,6 terabyte. Kritiska komponenter är dubblerade för att minimera risken för störningar. Ny programvara vid NSC På den nationella resursen Monolith har vi installerat VASP, ett program för kvantmekaniska molekyldynamikberäkningar (MD) med pseudopotentialer och planvågsbaser. Mer detaljerad information finns att läsa under NSC:s fysiksida: vasp/ Sök HPD-tid Vi vill förvarna om att vårens ansökningsomgång från SNAC, Swedish National Allocation Committee kommer att annonseras i slutet av mars och att sista ansökningsdag är planerad till 2 maj. Tilldelningen av datorresurser vid NSC, andra nationella HPD-centra och på Swegrid gäller från 1 juli Mer information och det elektroniska ansökningsformuläret kommer att finnas på 2 LCSC 6 SNIC Interaction Boka redan nu in datumen oktober Då anordnar NSC sjätte upplagan av sin årliga Workshop on Linux Clusters for Super Computing (LCSC). Som vanligt kommer LCSC att innehålla presentationer från såväl de som bygger och driver kluster som från klusteranvändare. På programmet står även leverantörspresentationer och introduktionskurser inom olika ämnen. I år samarrangeras LCSC dessutom med SNIC:s användarmöte, SNIC Interaction, som arrangeras för andra gången. SNIC Interaction strävar efter att stimulera kontakt och utbyte mellan HPD-centrumen och SNIC:s användare. Mer information kommer att finnas på

3 a b forts fr sid 1 inte utsätter det behandlade hudpartiet för starkt solljus under 1 2 veckor efter behandling. Detta för att preparatet ska hinna gå ur vävnaden. m preparatet finns kvar kan det leda till rodnader, blåsor m.fl. hud-problem, orsakade av fototoxiska reaktioner. En god kunskap om hur olika preparat verkar, vilka våglängdsområden som är verksamma, exakt vilka reaktioner preparatet kan åstadkomma, och hur man kan förändra läkemedlet för att modifiera dess egenskaper i önskad riktning är således av största vikt. Här har teoretisk modellering en viktig roll att fylla. För att vi teoretiker ska kunna vara behjälpliga inom detta område krävs att vi har metodik som väl kan beskriva excitationsprocesser, växelverkan och reaktioner mellan stora aromatiska föreningar, molekylärt syre och biologiska målmolekyler såsom membran, DNA eller protein-receptorer. Det behövs dessutom datorresurser som möjliggör noggranna beräkningar av stora modellsystem. I vår forskning har vi inledningsvis fokuserat på tre olika grupper av föreningar: psoralener (furocoumarener), hypericinderivat (perylen-kinoner) samt ickesteroida anti-inflammatoriska läkemedel (NSAID:s, t.ex. ibuprofen, ketoprofen och naproxen); se Fig. 1. Vi använder oss av täthetsfunktional-teori (DFT; TD-DFT) för att studera exciterade tillstånd och reaktioner, samt även en helt ny metod inom biokemisk modellering, kallad kvant- Monte Carlo (QMC). För att bestämma fördelningen av molekyler i de biologiska systemen, och deras växelverkan, använder vi även molekyldynamik-simuleringar. Som första steg behöver vi bestämma molekylernas excitations-energier, dvs vid vilken våglängd de tar upp energi som sedan kan omvandlas till kemisk bindning eller användas för att skapa reaktivt molekylärt syre. Vid absorption av UV-strålning lyfts systemet upp till första exciterade singlett-tillståndet (ofta ca 3 4 ev, eller kcal/mol), där det kan reagera med målmolkylen genom direkt cykloaddition. Sker ingen sådan reaktion kan systemet genomgå en intern omlagring från singlett H c H H H H H H Figur 1. Tre typ-molekyler, (a) psoralen, (b) ibuprofen, (c) hypericin. till triplett (intersystem crossing, ISC), under vilken en elektron byter spinn. Triplettnivån ligger vanligen ev (55 70 kcal/ mol) över grundtillståndet. I Fig. 2 ser vi ett bra exempel på den noggrannhet de teoretiska metoderna har rörande excitations-spektrum för denna typ av molekyler. Vi kan sedan med hjälp av de beräknade energierna sluta oss till om de exciterade läkemedlen kan skapa reaktiva syreföreningar, och har då kunnat påvisa att merparten av psoralen-derivat har förmåga att generera skadligt singlett-syre genom att överföra excitationsenergi till 2 -molekylen. Vi kunde även påvisa att dessa system, efter övergång till tripletttillståndet är mycket starkt oxidativa i vattenlösning. Det reducerade läkemedlet kan sedan i vattenlösning reducera syre till superoxidanjoner; även det en skadlig form av syre. Dessa RS reagerar sedan okontrollerat med omliggande vävnad vilket leder till fototoxicitet. För hypericin-molekylerna är trenderna liknande, även om dessa system dessutom mycket gärna reduceras (tar upp en elektron) eller deprotoneras redan i grundtillståndet, vilket alltså leder till ökad reaktivitet (minskad stabilitet), vilket kan vara till nackdel. För att undersöka om Normalized spectra vi kan modifiera läkemedlets egenskaper genom substitution undersökte vi vad som sker vid halogenering dvs då några av väteatomerna i ringsystemet byts ut mot F, Cl eller Br. Detta visade sig i enlighet med experimentella data inte leda till någon ändrad excitationsenergi eller ökad produktion av singlett-syre, men däremot en ökning av mängden superoxid-anjoner. Vi arbetar nu med att finna andra former av substituerade hypericiner, för att ytterligare optimera dess fotokemiska egenskaper. För att läkemedlen ska komma in i cellerna, och därmed kunna orsaka skada på DNA (om vi t.ex. syftar till att använda ämnet för att behandla cancertumörer), måste de först passera cellens lipidmembran. En av de faktorer som styr läkemedlets effekt är således dess förmåga att tränga in i cellen. m molekylen befinner sig inne i membranet då cellen utsätts för UV-strålning kan dessutom direkt fotoaddition äga rum till omättade bindningar i lipiderna. Alternativt kan molekylen generera reaktiva syreföreningar inne membranet, vilket i sin tur leder till att en skadlig reaktionskedja kallad fettsyraperoxidering inleds. Som ett led i våra studier av läkemedels fotodynamiska och fototoxiska processer har vi med MD-simuleringar undersökt fördelningen av en grupp psoralener i lipidmembran (Fig. 3). Våra studier visar att psoralenerna, genom att de är stora kolväten med vissa polära inslag, mycket lätt kan penetrera förbi membranets polära huvudgrupper och även röra sig obehindrat genom membranets hydrofoba del. m systemet utsätts för strålning kan direkt fotobindning uppstå mellan psoralenen och en dubbelbindning i lipiden (Fig. 4) tmp-exp tmp-cal Wavele ngth ( nm) Figur 2. Beräknat (heldragen linje) och experimentellt (streckad linje) UV-spektrum för trimetyl-psoralen, TMP.

4 Denna reaktion är termiskt förbjuden (kan ej äga rum på grundtillståndsytan) pga dess höga energibarriär, ca 75 kcal/mol. m systemet lyfts upp till den 1:a exciterade singlett-ytan med hjälp av UV-strålning, sjunker barriären till drygt 20 kcal/mol, varefter systemet fångas i en kanal ner till övergångstillståndet på grundtillståndsytan och relaxerar till antingen reaktantkomplex eller produkt. Genom att studera reaktionen för en rad lipid-modeller och bindning till pyron eller furan-ringen (höger respektive vänster sida av psoralenen i Fig. 1a) kunde vi visa på hur energiytorna för de exciterade tillstånden skiljer sig åt. Ytornas utseende förklarade den experimentellt observerade dominansen för bindning mellan cis-formen av lipiden och pyron-sidan av psoralenet (den reaktion som visas i Fig. 4). Vårt arbete med teoretiska studier fortsätter nu med ytterligare modellering av fördelning i biologiska membran och växelverkan mellan läkemedel och DNA, samt utveckling av nya fotodynamiska läkemedel med mer optimala egenskaper. Relevanta artiklar: J. Llano, J. Raber and L.A. Eriksson, Theoretical Study of Phototoxic Reactions of Psoralens. J. Photochem. Photobiol. A: Chemistry, 154, 235 (2003). I. Tejero, A. González-Lafont, J.M. Lluch and L.A. Eriksson, Photo-xidation of Lipids by Singlet xygen, a Theoretical Study. Chem. Phys. Letters, 398, 336 (2004). R.C. Guedes and L.A. Eriksson, Theoretical Study of Hypericin. J. Photochem. Photobiol. A: Chemistry, in press (2005). R.C. Guedes and L.A. Eriksson, Effects of Halogen Substitution on the Photochemical Properties of Hypericin. Submitted for publication (2004). X. Li and L.A. Eriksson, Photoreaction of Skin-sensitizing Trimethyl Psoralen (TMP) with Lipid Membrane Models. Submitted for publication (2005). D. dos Santos and L.A. Eriksson, Distribution, Interaction and Permeability of Psoralen Derivatives in Lipid Membranes. To be submitted. Figur 3: Psoralen (inringad) i lipid-membran. Vänster: molekylen penetrerar huvudgruppsregionen. Höger: molekylen växelverkar med omättade fettsyror djupt inne i membranet. LEIF A. ERIKSSN INSTITUTINEN FÖR NATURVETENSKAP ÖREBR UNIVERSITET LEIF.ERIKSSN@NAT.RU.SE Figur 4. Grundtillståndets övergångstillstånd (vänster) och produkt (höger) för bildning av cykloaddukt mellan TMP och lipid-modell. 4

5 Kalendarium HPC 2005: High Performace Computing Symposium Grand Challenges in Computer Simulation SCS Spring Simulation Multiconference (SMC 05) 2 8 april 2005, San Diego, USA IPDPS 2005, 19th International Parallel & Distributed Processing Symposium 4 8 april 2005, Denver, Colorado, USA CAC 2005, The workshop on Communication Architechture for Clusters 4 8 april, 2005, Denver, Colorado, USA. 4th Sven Stafström (till vänster) och Igor Abrikosov inviger Green Green ny resurs för teoretisk och beräkningsfysik vid Linköpings universitet International Workshop n High Performance Computational Biology 4 april, 2005, Denver, Colorado, USA. Forskningsämnena teoretisk fysik och beräkningsfysik hos institutionen för fysik och mätteknik, IFM, vid Linköpings universitet har en tradition av beräkningsintensiv forskning. Den nyligen installerade beräkningsresursen Green, döpt efter den engelske matematikern George Green ( ) som utvecklade koncept som elektrisk potential och Green-funktioner, kommer att bidra till att ytterligare stärka dessa gruppers forskningsprofil. Just Green-funktioner används i några av de beräkningsmetoder som kommer att köras på resursen, men här körs även beräkningar med VASP, Dalton, Gaussian och ett stort antal egenutvecklade koder. Genomförd grid-kurs I början av januari samlades ett dussin deltagare i Linköping för en kurs om grid computing. Kursen, som gavs i samarbete mellan de tre superdatorcentrumen NSC, PDC och HPC2N, ingick i den nationella forskarskolan NGSSC (National Graduate School in Scientific Computing), men var också öppen för utomstående. Kursen hade en påtaglig internationell prägel. Såväl deltagare som föreläsare kom från olika högskolor och universitet runt om i Norden och Baltikum, och representerade många olika nationaliteter. Åtta intensiva kursdagar fylldes av föreläsningar på förmiddagarna och laborationer på eftermiddagarna i många fall långt in på kvällarna. Green har 74 Dell PowerEdge 750- beräkningsnoder med 3,4 GHz Pentium 4- processorer. Datorresursen har gjorts möjlig genom ett anslag från Vetenskapsrådet till professor Igor Abrikosov (teoretisk fysik) och professor Sven Stafström (beräkningsfysik samt föreståndare för NSC) som på bilden syns inviga Green. Resursen är en del i det goda samarbete som finns mellan IFM och NSC som bl.a. omfattar ytterligare maskiner samt inte minst personal som delar sin tid mellan IFM och NSC. Green är fysiskt placerad hos NSC, som också har systemansvar för resursen. För den som inte hade möjlighet att delta, men ändå vill förkovra sig, finns det mesta av kursmaterialet tillgängligt på sidan First Workshop on System Management Tools for Large-Scale Parallel Systems 8 april, 2005, Denver, Colorado, USA. ipdps-ws/ 22nd IEEE and 13th NASA Goddard Conference on Mass Storage Systams and Technologies april, Monterey, California, USA. CCGrid05, 5th IEEE/ACM Symposium on Cluster Computing and the Grid 9 12 maj, 2005, Cardiff, UK. WEA2005: 4th International Workshop on Efficient and Experimental Algorithms maj, 2005, Santorini Island, Greece. ICCS 2005, International Conference on Computational Science maj, 2005, Atlanta, Georgia, USA. PAPP 2005 Second International Workshop on Practical Aspects of High-level Parallel Programming maj, 2005, Atlanta, Georgia, USA. 5

6 Nationellt Superdatorcentrum, Linköpings universitet, Linköping Tel: , fax: , e-post: