超及时盘算！智源模拟腹黑欧洲杯投注入口，达成了生物时代与盘算时代比为 1:0.84。

一般来说，仿真时代与生物时代比达到 1:1，就也曾算是及时盘算了。而在此之前的诬捏腹黑仿真系统还莫得达成过，如今，在更大范畴和更高复杂度的腹黑模子上达成了 180 倍的速率普及。

智源磋议院开发了具有密致细胞电生理与剖解结构的东说念主心室模子。

该模子包含了 19 种细胞生理景色变量和 70 多个公式，轻率达成复杂的腹黑电生理与病理仿真，为临床与医药工业应用提供丰富的场景。

构建诬捏生理腹黑

腹黑，动作伏击器官之一，其功能无边与否告成影响东说念主类的人命连接。电生感性情反应了腹黑的健康和疾病景色。腹黑电生理行动的相配，往往会导致心律失常，从而引忠诚脏泵血功能缺少等严重健康问题。因此，深远意会和磋议腹黑的电生理流程，关于提高腹黑病的会诊和休养水平至关伏击。

传统的腹黑电生理磋议多依赖于实验室内的动物模子和临床数据，但这类方法往往受限于伦理问题、实验条目和数据得到的复杂性。跟着盘算技艺的发展，盘算机仿真成为了一种新兴且巨大的磋议器用。

通过诞生数学模子和盘算机法子，磋议东说念主员可构建数字孪生腹黑，轻率在诬捏环境中仿真并重现腹黑器官的电生理行动（诬捏生理腹黑），分析其动态性情，并进行不同生理与病理条目下的实验。

诬捏生理腹黑的构建可期骗生理组学的磋议方法，详细分子生物学、生圆寂学、生理学、剖解学及临床医学的最新效果，数学化以及模式化地整合从基因、卵白质、细胞、组织到器官的剖解（多物理圭臬：空间圭臬跳动 10^9 量级，跨时代圭臬：时代圭臬跳动 10^15 量级，如图 1 所示）、生理和生化信息，应用盘算机强有劲的盘算和图形闪现才能，通过赋予其腹黑所具有的能源学性情、生化性情和各式生理病理特色，使之从现象、结构和功能等方面传神地再现腹黑的生理和病理行动流程。

△图注 1：构建诬捏生化生理东说念主体的时代和空间圭臬。时代圭臬横跨由分子事件（µ s）、细胞信号传导（ms）、细胞功能（s）到东说念主体寿命 ( decades ) 的 10^15 跨度。空间圭臬横跨由分子（nm）、细胞（µ m）、器官（cm）到躯干 ( m ) 的 10^9 跳动。

诬捏腹黑电生理仿真对盘算资源要求极高，即使是几毫秒的仿真，也需要蕴蓄求解数十亿次微分方程。使用复杂的诬捏腹黑模子进行磋议时，重现 1 秒钟的腹黑电行动也可能需要数小时或更长。这给诬捏生理腹黑的临床应用与药物研发带来要紧挑战。

在早期诬捏生理腹黑磋议中，腹黑一个生物秒的电生理行动往往需要数日以致数月来仿真盘算。跟着显存技艺的发展，这个时代诽谤到数天。连年，有磋议勤勉于于普及诬捏生理腹黑的盘算速率。比如通过将三维腹黑空间分袂为矩形子区域来达成并行腹黑模拟 [ 9 ] ，使运算速率大大普及。另一项磋议通过 WebGL 将高性能腹黑模拟膨胀到普通盘算机上，以致有 GPU 的手机也不错模拟三维心室的电动态。一些磋议试图通过自稳当时代步长来提高运转速率，赶走标明，固定时代步长比自稳当时代步长方法具有更好的遵循。

但这些磋议仅能达到"准及时运算"，离着实兴味上的"及时运算"，即仿真时代与生物时代比达到 1:1，还有难以逾越的距离，更无谓说仿真精度的普及带来的运算量爆炸式增长。高盘算复杂度带来的海量运算，使得诬捏生理腹黑模子难以达成及时盘算，不容其大范畴应用。

为处理这一问题，智源磋议院开发了一套及时腹黑电生理仿真系统。该系统不仅轻率及时模拟腹黑的 3D 电行动，还能通过多种参数的盘曲，深远探讨不同生理、病理成分对腹黑功能的影响。

这一及时腹黑仿真平台，一方面可在医学基础磋议边界发达作用，匡助临床大夫和磋议东说念主员更直不雅地意会腹黑的电生理流程，探究心律失常产期望制、权衡暴毙发生率等；另一方面，可用于构建诬捏药物安全性评估平台，对推动药物安全评估发展具有伏击兴味；更伏击的是，不错在临床应用中提供手术有筹画预演与决策复旧，比如射频消融有筹画谋划，腹黑起搏器最好植入有筹画谋划等。该技艺的股东将为医学磋议和临床休养提供新的范式。

及时盘算为了在更高分辨率、更高精度和更大范畴的腹黑模子上达成及时仿真，智源磋议院开发了具有密致细胞电生理与剖解结构的东说念主心室模子。

为达成及时盘算，智源对模子底层盘算进行了深度优化。针对腹黑仿真入网算强度大和 I/O 密集等瓶颈问题，智源充分磋议 A100 平台的硬件特色，遐想了多种优化战略，如量化和轮回伸开。这些行动灵验诽谤了盘算复杂度和 I/O，使得在更大范畴和更高复杂度的腹黑模子上达成了 180 倍的速率普及。

最终，智源诬捏腹黑仿真系统达成了对腹黑电生理功能的及时仿真，达到生物时代与盘算时代比为 1:0.84。这一效果不仅普及了腹黑仿真系统的性能，还为更无为的医学磋议和临床应用提供了强有劲的复旧，象征着腹黑仿真技艺的又一要紧里程碑进展。

△图注 2：及时腹黑盘算概览图

技艺路子

在 GPU 的架构遐想中，律例拜访内存（如明白的数据拜访）相较于赶快拜访具有更高的性能。此外，在履行律例拜访时，一样会取舍预取技艺提前加载数据，以进一步提高拜访遵循。

同期，在诬捏腹黑模子中，约莫有 2/3 的物理空间位置是空余腔体空间，灵验心肌组织仅占 1/3 的物理空间。腹黑仿果然主要盘算和 I/O 操作王人蚁集在对灵验心肌组织中的每一个单细胞中的离子通说念和细胞膜电位进行时代上的更新，同期筹议周边细胞的电耦合影响。

基于 GPU 访存特色和腹黑剖解结构的特等性，智源遐想了稳当脱落数据的数据结构。期骗律例访存普及 I/O 速率，确保并行线程仅处理灵验细胞，从而最大甘休地提高 GPU 内存的期骗率。通过这种蜕变的结构，权臣优化了盘算性能，使得腹黑仿真轻率在 IO 访存上达到最优效果。

在盘算层面，取舍量化战略，灵验简化模子中的对数和指数等复杂盘算，从而权臣诽谤了盘算复杂度。

此外，为进一步减少 I/O 操作次数，取舍轮回伸开战略，达成在一次读取中进行屡次盘算，大大诽谤 I/O，权臣普及 SM 中枢的盘算期骗率。

基于 A100 平台，智源遐想了高效的 P2P 通信面貌，期骗 GPU 直连达成在节点内快速的数据交换，确保数据传输的低延长与高带宽。在节点之间，取舍 RDMA（而已告成内存拜访），进一步增强跨节点数据传输的遵循，充分发达硬件平台的并行盘算与通信才能。

△图注 4：技艺路子图仿真赶走

团队测试了不同优化战略对仿真 2 生物秒腹黑功能所用盘算时代的影响，赶走如下图所示。

对 2 生物秒腹黑功能的模拟，基准模子在未优化的情况下 A100 单卡需要盘算时代为 304.25 秒。在取舍散布式、量化、轮回伸开战略后，其所用时代分别是 9.75、3.93、1.68 秒。其中取舍轮回伸开后，盘算时代达到 2 秒内，达到盘算时代 / 生物比小于 1，达成及时 / 超及时盘算的要求。其中，散布式盘算关于系统仿真速率影响最大，达到了 32 倍提速。量化战略和轮回伸开战略分别将仿真速率普及了 2.48 和 2.34 倍。在同期取舍散布式、量化、轮回伸开战略的情况下，系统仿真速率合座普及了 181 倍。

△图注 5：不同优化战略的盘算时代

△图注 6：不同优化战略的速率普及

拓展弧线

△图注 7：不同优化战略的拓展弧线

如图 7 膨胀弧线所示，跟着 GPU 卡数的增多，基准模子和优化后的模子仿真时代王人在减少。基准模子在增多到 48 卡后，盘算时代不再减小。此时的生物：盘算时代比为 1:5。再取舍量化和轮回伸开战略后，32 张卡即可达成及时盘算，生物：盘算时代比达到 1:0.84。

主要 GPU 谋划

△图注 8：不同优化战略的盘算密度和盘算强度

△图注 9：不同优化战略的内存和 SM 期骗率

通过 GPU 谋划不错看出（图 8，图 9）量化战略通过普及 IO 同期诽谤盘算的面貌提高合座盘算性能；轮回展怒放过大幅度诽谤 I/O 同期提高盘算密度的面貌提高盘算性能。

盘算精度

团队统计了加快前与加快后的赶走缺欠，仿果然膜电位 V 的时程别离

△图注 10：仿真前后细胞主要离子通说念电流与胞内离子浓度在一心律节奏间的变化

临了回来，智源磋议院从腹黑模子的剖解结构、心肌细胞电生理的盘算特色及盘算系统的硬件架构开赴，遐想了腹黑仿真系统的数据结构和优化战略，以提高盘算遵循。智源取舍先进的并行处理方法，充分期骗当代 GPU 开发的巨大盘算才能，优化数据传输和通信面貌，以减少延长并提高数据蒙眬量。通过这些战略，不仅普及了仿真系统的盘算速率，还保证了在可采选缺欠范围内的盘算精度，最终见效达成了腹黑仿果然及时盘算方向，达到超及时盘算赶走。

这一效果为进一步磋议心律失常产生的离子通说念与分子机制等要害医常识题，也为手术谋划如房颤射频消融有筹画等临床应用，以及新药研发与其腹黑安全性筛选奠定了坚实基础，同期也为其它超大复杂物理系统的及时仿真提供坚实基础。

* 本文系量子位获授权刊载，不雅点仅为作家通盘。

—  完  —

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