Суперкомпьютер "Фугаку" на тропе войны с коронавирусом

«Фугаку» позволил визуализировать, как работают маски из разных материалов. Иллюстрация RIKEN

Суперкомпьютер «Фугаку», разработанный для решения научных и социальных задач мирового масштаба, принял активное участие в борьбе с пандемией. «Фугаку» разработан японским Институтом физико-химических исследований (RIKEN) и компанией Fujitsu. Его полномасштабная эксплуатация стартовала с 9 марта 2021 года, однако с апреля 2020 года RIKEN предоставил вычислительные суперкомпьютеры для интересных исследований и разработок, которые помогут противодействию распространению коронавируса.

Хотя «Фугаку» еще находился в стадии разработки и подготовки к вводу в эксплуатацию, это не помешало использовать его для серии масштабных научных исследований, связанных с COVID-19. Скорость вычисления «Фугаку» – примерно 442 квадриллионов (квадриллион – это единица с 15 нулями) в секунду. В прошлом году он неоднократно был признан экспертами рейтингов производительности суперкомпьютеров – TOP500, HPCG, HPL-AI и Graph500 – самым мощным суперкомпьютером в мире.

Исследования, в которых участвовал «Фугаку», связаны с шестью темами. Четыре из них – медицинские. В частности, компьютер позволял определить возможность использования терапевтических препаратов при лечении COVID-19, прогнозировал динамическую структуру белка на поверхности коронавируса, рассчитывал фрагментарные молекулярные орбитали для белков, связанных с коронавирусом, а также анализировал гены человека в связи с тяжелыми случаями заболевания. Например, в эксперименте по молекулярному моделированию для выяснения характеристик веществ «Фугаку» определил примерно 30 препаратов, потенциально способных помочь при заболевании COVID-19, выбрав их из более чем 2000 существующих лекарственных средств. Как отмечают ученые, у «Фугаку» на эту работу ушло десять дней, притом что предыдущему японскому суперкомпьютеру на решение этой задачи потребовался бы год.

Суперкомпьютер также помог исследовать две важные темы, имеющие не только медицинское, но и социальное значение: он моделировал и анализировал пандемические явления и оценивал, как действуют направленные против них меры, а также прогнозировал возможность инфицирования вирусом в помещении воздушно-капельным путем, предлагая меры противодействия.

Иллюстрация RIKEN

Яркая визуализация привлекла большое внимание японских СМИ и была продемонстрирована в сотнях сюжетов по телевидению и ​​в интернете. Кроме того, полученная информация была предоставлена в государственные учреждения, органы местного самоуправления, больницы. Увиденное оказало огромное влияние на восприятие жителями Японии возможности распространения вируса, на образ жизни японцев и практику борьбы с пандемией.

Наиболее важными результатами исследования оказались данные о том, способны ли маски ограничивать распространение коронавируса. В первую очередь исследователи обратили внимание на то, как материал, из которого изготовлена защитная маска, влияет на передачу инфекции.

В качестве материалов для масок обычно используются нетканые материалы, ткани и уретан. Ученые смоделировали, насколько каждый из них защищает окружающих при кашле «пациента». Было обнаружено, что при кашле для защиты от капель и аэрозоля наиболее эффективен нетканый материал, на втором месте оказалась ткань, на третьем – уретан. Также выяснилось, что маски не только предотвращают передачу коронавируса от пациента другим людям, но и предотвращают заражение здорового человека от больного.

Иллюстрация RIKEN

Также исследователи с помощью «Фугаку» изучили, как капли и аэрозоль распространяются в такси и других транспортных средствах. Оценивались риски при поездках в поездах и самолетах. «Фугаку» помог смоделировать возможности распространения коронавируса в офисах, больницах, ресторанах, учебных классах и оценить риск заражения во время занятий хоровым пением, на открытом воздухе, а также понять, как на это влияют влажность, расстояние между людьми и другие факторы.

Например, согласно полученным данным, при распространении капель внутри автомобиля, если для вентиляции используется кондиционер, в обычном режиме воздух будет меняться 42 раза за час. А при движении со скоростью 40 км/ч и окнах, открытых на 5 см со стороны водителя и со стороны противоположного заднего сиденья, объем вентиляции может быть увеличен только на 25% по сравнению с кондиционером. Таким образом, оказалось, что принудительная вентиляция с помощью кондиционера обеспечивает достаточное проветривание автомобиля, необходимое для защиты от коронавируса. В связи с этим в холодных регионах нет необходимости открывать окна при поездках, например, в такси.

Планируется, что после полного введения в эксплуатацию, с марта 2021 года, суперкомпьютер «Фугаку» можно будет использовать не только для расчетов, связанных с борьбой с коронавирусом, но и для решения различных проблем в таких сферах, как биология, предотвращение стихийных бедствий, защита экологии, энергетика, повышение конкурентоспособности промышленности, а также для нужд фундаментальной науки. n

Материал написан при поддержке японского Института физико-химических исследований.