[發明專利]基于蛋白質折疊測算蛋白質結構的集群并行計算加速方法

有效

• 申請號: 201711439963.1
• 申請日: 2017-12-27
• 公開（公告）號: CN110021339B
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 張尉東;陳一峯;張明悅
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G16B5/00
• 分類號: G16B5/00;G06F9/46;G06F9/54
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 黃鳳茹

本發明公布了一種集群并行計算加速方法，針對蛋白質折疊過程構建能量約束模型，在異構集群計算機上對計算的迭代過程進行并行加速；包括：將蛋白質折疊計算的近似計算劃分為多個計算任務，每個節點根據本地計算任務和數據備份進行求解，期間不進行數據同步；當節點執行完多個時間步后進行數據同步；本節點計算任務的結果同本地數據備份比較，若發生改變，則以廣播的方式在集群中傳播數據，通知集群所有主機將本地備份進行更新，從而實現基于蛋白質折疊測算蛋白質結構的并行計算加速。本發明能夠提高蛋白質折疊測算蛋白質結構求解的計算速度與精度，減少計算過程中的通信開銷，節省計算資源。

技術領域

本發明屬于高性能計算技術領域，涉及計算并行化方法，尤其涉及一種利用計算機集群、對蛋白質折疊的計算進行并行化加速的方法。

背景技術

蛋白質折疊問題解決的是針對一段氨基酸序列，通過氨基酸殘基的相互作用，形成具有特定三維結構的蛋白質分子。在應用實踐中，可以運用動力學模擬的方法，建立蛋白質折疊過程中的能量約束方程，以數值模擬的手段，根據氨基酸序列，來推測蛋白質的三維結構。

可以對蛋白質折疊過程中的能量約束構建線性方程組，線性方程組一般形式

Ax＝b

其中A為非奇異矩陣，當A為低階稠密矩陣時，采用高斯消元法、克萊姆法則等可以直接求解。但高性能計算領域，A的階數往往相當大，且零元素較多，對于這種大型稀疏矩陣，采用迭代法更為合適。雅可比迭代法(JacobiIteration)和高斯-賽德爾迭代法(Gauss–Seidel Iteration)是數值代數中用于求解大型稀疏線性方程組近似解的常用方法。為了充分利用計算機并行計算的能力，提高求解線性方程組的速度，可以挖掘迭代方法中的并行性，設計并行化方案。

2012年，浪潮公司提出《一種線性方程組的數據處理方法及裝置》，利用GPU(graphics processing units)對線性方程組求解進行加速。2012年，大連理工大學黃一等人提出《一種線性方程組的單機并行求解方法》，最大化利用單機資源，提高了單機求解線性方程組的速度與精度。

對于氨基酸中各原子的狀態，可以按照分子動力學方程來進行求解，其一般形式為

X[t+dt]＝f(X[t])

其中，X[t]為t時刻原子的狀態向量，f為物理模型建立的動力學方程。對于此類方程，可以用BSP(Bulk Synchronous Parallel)并行加速算法。BSP模型是將全局的計算任務分成若干子任務異步進行計算，子任務完成計算后進入等待狀態，系統進行全局檢查與全局數據更新，當所有子任務都完成計算且全局數據更新后，每個子任務又繼續進行下一步計算。

但是，上述現有方法往往都基于單機形式或者容易受到通信的限制，并行化程度不高，加速效果不理想，且求解規模受到單機容量的限制；現有蛋白質折疊的技術尚未有利用集群計算機進行并行加速的有效技術方案。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種在集群上蛋白質折疊問題的并行加速方案。本發明方法在構建蛋白質折疊的能量約束線性方程組后，對該線性方程組進行合理的區塊劃分，在集群上，對計算進行并行化加速，提高測算蛋白質結構的計算求解速度與計算精度。

本發明的核心思想是，對蛋白質折疊過程中的能量約束構建線性方程組，根據計算任務的局部性，即某些計算任務同其他計算任務數據關聯性較弱，因此可以分別獨立計算，并在時間上實現重疊，提高并行程度。同時，根據計算精度，調整同步的頻率，保證精確性。而蛋白質折疊一類問題，有著很好的計算任務局部性，本發明在解決蛋白質折疊推算蛋白質的三維結構問題方面有著很好的加速效果。

現有方法中，高斯-賽德爾迭代法求解線性方程組，具體地：

對于方程組Ax＝b，有唯一解x’，則將Ax＝b變形為等價的方程組x＝Bx+f，由此可有迭代公式，表示為式1：