Следующая большая вещь в науке уже у вас в кармане

Суперкомпьютеры — неотъемлемая часть современной науки. Обрабатывая числа и выполняя вычисления, на выполнение которых нам, людям, потребовались бы миллионы лет, они помогают нам делать вещи, которые в противном случае были бы невозможны, например, предсказывать траектории полета ураганов, моделировать ядерные катастрофы или моделировать влияние экспериментальных лекарств на клетки человека. Но эта вычислительная мощность имеет свою цену — буквально. Исследования, зависящие от суперкомпьютеров, общеизвестно дороги. Исследовательские институты нередко платят более 1000 долларов за один час использования суперкомпьютера, а иногда и больше, в зависимости от требуемого оборудования.

Но в последнее время, вместо того чтобы полагаться на большие и дорогие суперкомпьютеры, все больше и больше ученых обращаются к другому методу для решения своих задач: распределенным суперкомпьютерам. Вы, наверное, слышали об этом раньше. Вместо того, чтобы полагаться на один централизованный компьютер для выполнения заданной задачи, этот краудсорсинговый стиль вычислений получает вычислительную мощность от распределенной сети добровольцев, обычно за счет запуска специального программного обеспечения на домашних ПК или смартфонах. По отдельности эти добровольные компьютеры не особенно мощные, но если собрать достаточное их количество вместе, их коллективная мощность может легко затмить мощность любого централизованного суперкомпьютера — и часто за небольшую часть стоимости.

За последние несколько лет такого рода проекты одноранговых вычислений пережили своего рода ренессанс, и по мере того, как вычислительная мощность наших устройств продолжает улучшаться, кажется, что следующим большим событием в науке может стать смартфон в вашем кармане. .

Рождение и бум

Концепция добровольных вычислений существует уже несколько десятилетий, но только в конце 1990-х, когда персональные компьютеры проникли в большое количество американских домохозяйств, она начала набирать обороты.

В 1999 году исследователи из Калифорнийского университета в Беркли и Стэнфорде запустили два проекта, которые получили широкое освещение в СМИ и широкое распространение: SETI@home , который побуждал пользователей ПК регистрироваться и задействовать свои процессоры для анализа данных радиотелескопа, и Folding@home , который использовал этот вычислительная мощность для сворачивания сложных белков.

Оба проекта пользовались огромным успехом у публики. На самом деле SETI@Home испытал такой огромный первоначальный всплеск интереса, что он перегрузил серверы проекта и стал причиной частых сбоев . Но после этого прорывного успеха интерес в конце концов выровнялся, пошел на убыль и в конечном итоге привел к тому, что создатели проекта закрыли его через 20 лет .

Однако Folding@home не постигла та же участь. Примерно в то время, когда проект SETI@home сворачивался, у Folding@home появилась возможность проявить себя: вспышка COVID-19 . Вскоре после начала пандемии к проекту присоединились более миллиона новых добровольцев, которые фактически создали самый быстрый в мире суперкомпьютер — на один мощнее, чем 500 лучших традиционных суперкомпьютеров вместе взятых. Их работа была простой, но она сыграла важную роль в расшифровке некоторых из самых сложных заболеваний, включая COVID-19 : свернутые белки.

Белки имеют решающее значение для понимания того, как, например, вирус реагирует на иммунную систему человека и заражает ее. В своем естественном состоянии белки имеют свернутую форму, и они разворачиваются, например, для связывания и подавления защитных сил нашего организма. Чтобы разработать терапевтические средства, ученые запускают симуляции, чтобы изучить последовательность разворачивания белка, но это очень ресурсоемкий и трудоемкий процесс. Вот тут-то и приходит на помощь Folding@home. Он не только значительно снижает стоимость, но и ускоряет разработку на месяцы, а в некоторых случаях даже на годы.

Как только волонтеры Folding@home устанавливают программное обеспечение, их машины берут на себя часть более крупной задачи и выполняют ее в фоновом режиме. Результаты отправляются обратно в лаборатории исследовательской группы через облако, где они сопоставляются и анализируются.

Результаты в нескольких случаях были новаторскими. В 2021 году ученые смогли выяснить, почему варианты COVID-19 были более разрушительными, во многом благодаря резкому увеличению вычислительной мощности Folding@home. Кроме того, это помогло разработать противовирусный препарат против COVID-19, который сейчас проходит клинические испытания. Помимо этого, Folding@home также способствовала ряду значительных прорывов в лечении других заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и рак.

По словам доктора Грегори Р. Боумана, директора Folding@home и доцента Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе, штат Миссури, без краудсорсинговых вычислений: «Эта работа в облаке стоила бы сотни миллионов долларов. что делает его экономически невыгодным для нас или большинства других». Он добавил: «Вычислительная мощность меняет правила игры».

Новый вид гражданской науки

Удивительно, но такие проекты, как Folding@home, — не единственный способ, которым ученые используют возможности смартфонов. Иногда необработанная вычислительная мощность не особенно важна, и исследователям просто нужен более широкий спектр информации — информацию, которую могут собрать и предоставить только тысячи людей, разбросанных по всему миру.

Например, в марте этого года Европейское космическое агентство запустило кампанию Camaliot , целью которой является улучшение погодных приложений за счет творческого использования GPS-приемника в телефонах Android. Видите ли, всякий раз, когда ваш телефон пингует спутники для навигации, они отвечают временем и своим местоположением, а телефоны вычисляют, где они находятся, исходя из того, сколько времени потребовалось для получения каждого сообщения. Время, которое занимает каждый сигнал, может лучше информировать ученых о свойствах атмосферы, таких как количество водяного пара в ней, что, в свою очередь, может помочь предсказать более точные прогнозы дождя. Но команда ЕКА может выполнять эту деятельность только из определенного количества мест.

Приложение Camaliot позволяет владельцам телефонов Android со всего мира внести свой вклад в проект ЕКА. Он неоднократно пингует спутники с телефонов людей и отправляет собранные им ответные данные обратно на базу ЕКА.

С помощью Camaliot ЕКА надеется собрать данные из таких областей, как Африка, представляющих большой интерес с точки зрения ионосферы и которые недостаточно хорошо охвачены централизованными методами агентства, ограниченными геопространственными данными, Висенте Наварро, Управление науки Европейского космического агентства и возглавил кампанию Camaliot, рассказал Digital Trends.

Скол в

Но остается вопрос: зачем кому-то бесплатно одалживать мощность своего устройства? Помимо повышенных счетов за электроэнергию, это также влияет на производительность и работоспособность ваших телефонов и компьютеров. Но даже с учетом этих недостатков, для многих, таких как Джеффри Брайс, звукорежиссер, который сворачивает протеины с 2007 года, ответ довольно прост: делать добро.

«Некоторое время я интересовался криптовалютой, — сказал Брайс, — но использование того же оборудования для Folding@home казалось лучшим, более этичным и более филантропическим использованием оборудования».

Для других это источник пассивного дохода. Чтобы поощрить участие, некоторые ведущие группы Folding@home создали крипто-сообщества, основанные на пожертвованиях, которые каждую неделю распределяют валюты, такие как Dogecoin, в зависимости от взносов. Точно так же Camaliot награждает своих лучших участников ваучерами.

Поскольку компьютерные чипы используются практически во всем, Джош Смит, основатель CureCoin, криптовалюты для поощрения добровольцев Folding@home, предвидит еще более светлое будущее для краудсорсинговых научных проектов. «Если мы достигнем наших высоких целей, волновой эффект для будущего нашей планеты будет чем-то, что никогда не будет забыто», — сказал он.