GPU計(jì)算——兩度助力獲得諾貝爾獎(jiǎng)的幕后英雄

我們的日常工作固然重要，但并非每一份重要的工作都能夠助力他人獲得諾貝爾獎(jiǎng)。然而，就在今年十月，GPU計(jì)算便兩度成為了助力獲得諾貝爾獎(jiǎng)的幕后英雄。

諾貝爾獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)推動(dòng)人類認(rèn)知宇宙與自身細(xì)胞

美國(guó)時(shí)間10月3日，一組國(guó)際化的化學(xué)家團(tuán)隊(duì)（包括Jacques Dubochet、Joachim Frank 和Richard Henderson三人）憑借其冷凍電子顯微鏡（冷凍電鏡）的相關(guān)研究工作榮獲了諾貝爾獎(jiǎng)。冷凍電鏡技術(shù)讓科學(xué)家們能夠看到驅(qū)動(dòng)細(xì)胞內(nèi)部運(yùn)作的精細(xì)蛋白結(jié)構(gòu)。

美國(guó)時(shí)間10月2日，三名美國(guó)物理學(xué)家Rainer Weiss、Barry Barish和Kip Thorne也因探測(cè)到了愛(ài)因斯坦百年前預(yù)測(cè)的引力波而獲得了這一科學(xué)界的最高殊榮。

這些突破是我們?cè)谡J(rèn)識(shí)宇宙、以及我們自身細(xì)胞進(jìn)程中取得的重要進(jìn)展。以至于在本周瑞典皇家科學(xué)院向其授予諾貝爾獎(jiǎng)之前，這些消息就已經(jīng)在全球范圍內(nèi)登上了頭條。

GPU助力探究?jī)?nèi)在世界

冷凍電鏡下的乙醇氧化酶結(jié)構(gòu)。圖片由J. Vonck、D. Parcej和D. Mills提供。

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)表彰的是一項(xiàng)稱為冷凍電鏡的技術(shù)，這一技術(shù)依賴于GPU來(lái)加速圖形處理、并重建高分子結(jié)構(gòu)。

據(jù)了解，如今研究員們能夠利用冷凍電鏡，在分子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將其冷凍，在原子分辨率水平下對(duì)其進(jìn)行描繪，以查看前所未有的生物過(guò)程。

這讓我們對(duì)生命中涉及的化學(xué)問(wèn)題也有了更深的理解，對(duì)于新藥開(kāi)發(fā)也具有關(guān)鍵性意義。 諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)也在一份聲明中表示：“這一方法將生物化學(xué)推向了新紀(jì)元。”

在冷凍電鏡中，科學(xué)家們能夠捕捉到大量高分辨率的圖像。他們利用RELION（REgularised LIkelihood OptimisatioN的縮寫，發(fā)音同rely-on）這一由GPU加速的開(kāi)源軟件程序來(lái)處理并重建3D圖像。

冷凍電鏡正在幫助科學(xué)家們更好地理解疾病。他們采用這一技術(shù)來(lái)探索引起抗生素耐藥性的蛋白質(zhì)架構(gòu)，并生成與阿爾茨海默病相關(guān)酶的3D結(jié)構(gòu)，去年科學(xué)家們還借助它來(lái)更好地了解了蚊媒寨卡病毒。

一組研究團(tuán)隊(duì)也采用同樣的技術(shù)找出了與人體生物鐘相關(guān)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，這一進(jìn)展也于今年獲得了諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的認(rèn)可。2015年，Nature Methods雜志也將冷凍電鏡評(píng)為當(dāng)年的“年度技術(shù)（Method of the Year）”。

GPU協(xié)力探索宇宙時(shí)空

這一計(jì)算機(jī)仿真圖像顯示了兩個(gè)黑洞的碰撞，這是LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）首次觀測(cè)到的強(qiáng)力事件。圖片通過(guò)SXS(Simulating eXtreme Spacetimes)項(xiàng)目生成。

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)標(biāo)志著數(shù)十年來(lái)關(guān)于引力波的探索取得階段性進(jìn)展。這一百年前就被預(yù)測(cè)到的現(xiàn)象，如今通過(guò)激光干涉引力波天文臺(tái)首次被觀測(cè)到。

引力波是時(shí)空結(jié)構(gòu)波動(dòng)，由諸如黑洞碰撞的事件所引發(fā)，這也讓探測(cè)引力波能力成為更好地理解宇宙的關(guān)鍵所在。在這一獎(jiǎng)項(xiàng)于斯德哥爾摩公布時(shí)，一位諾貝爾委員會(huì)成員便稱其為“震撼全世界的發(fā)現(xiàn)”。

GPU也在這項(xiàng)研究中發(fā)揮了效力，通過(guò)負(fù)責(zé)處理LIGO觀測(cè)臺(tái)在華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓采集到的數(shù)據(jù)，使得2015年的首次引力波探測(cè)成為可能。

當(dāng)時(shí)研究員們剛剛構(gòu)建好最為先進(jìn)的LIGO，一對(duì)黑洞的強(qiáng)烈碰撞所產(chǎn)生的震動(dòng)就猛烈地撞擊到了位于路易斯安那州和華盛頓州的探測(cè)器，發(fā)出尖銳的上揚(yáng)聲調(diào)，持續(xù)了五分之一秒。由劇烈撞擊產(chǎn)生的引力波經(jīng)歷了13億年才抵達(dá)了LIGO探測(cè)器。

這一發(fā)現(xiàn)不僅證實(shí)了愛(ài)因斯坦相對(duì)論的核心要素，還開(kāi)辟了基于引力波研究的新型天文學(xué)。自2015年以來(lái)，LIGO 又探測(cè)到了三次引力波，也都是由黑洞碰撞所產(chǎn)生的。