科學研究 - 【新型肺炎】世界第一超算「富嶽」在新冠電腦病毒研究中正在做哪些專案？

世界第一的日本超算在征服新冠電腦病毒方面有望大展身手。理化學研究所（理研）與富士通共同開發和營運的超級計算機「富嶽」在新冠電腦病毒（SARS-Cov-2）冶癒藥物的開發和疫情防控等研究領域均發揮了威力。這些研究爲理研與神戶大學和京都大學等合作展開，研究人員的意識和積極性都非常高。富嶽6月22日在計算速度的全球四項排名中登上榜首。

世界第一超算「富嶽」（圖片：理研計算科學研究中心）

征服新冠需要超算的力量

新型冠狀病毒傳染症（COVID-19）正在全球蔓延。據美國約翰·霍普金斯大學統計，截至7月1日，全球累計傳染人數已超過1000萬人，死亡人數也超過了51萬人。世界衛生組織（WHO）總幹事譚德塞6月19日表示：「新冠電腦病毒的全球大流行正在加速。世界進入了新的危險階段」，呼籲提高警惕。

嚴峻的形勢依然在持續，而且關於新冠電腦病毒還有很多未解之謎。目前全球正爭相開發疫苗和決定性的冶癒藥物，在這種情況下，擁有強大的計算能力、能在支援雜異化研究的資料科學和各種類比中發揮威力的超算備受關注。

日本國内的傳染人數以東京都及周邊爲中心日漸增加。4月7日，文部科學省和理研的計算科學研究中心宣佈，針對危機不斷增加的疫情態勢，將試運行富嶽用於研發新冠電腦病毒冶癒藥物以及實施旨在預防傳染的類比計算等。

富嶽是2019年8月結束運行的超算「京」的後續機型，目前理研和富士通正在開發和構築之中。開發費用與京基本相同，預計爲1100億日元。計算速度計劃最終達到京的約100倍。預定2021年度正式開始投入使用，雖然目前尚未達到設計能力，但理研和富士通判斷，現在的能力已足夠應用於各種研究。

下面稍微回顧一下富嶽的「前輩」京。京的開發計劃是在日本政府的主導下於2006年起動的。富士通作爲開發主體，於2012年9月開始投入使用。京擁有每秒1京次（京爲兆的1萬倍）的計算能力。得到了國内外的大學、公共研究機構和企業等的利用，不僅是能發揮超算威力的地球環境、防災、生命科學及醫學醫療等領域的公共研究，還爲很多企業的開發研究做出了貢獻。

在京正式投入使用前的2011年，京在超算的計算速度世界排名中已連續2次蟬聯榜首。但之後被中國和美國的超算超過，排名大大下降。爲此，日本政府確定了開發「新一代超算」的方針，並從2014年度開始與富士通共同推進後續機型的開發，也就是現在的富嶽。富嶽與京一樣，也設置在神戶市中央區的理研計算科學研究中心，有望實施優於京的運行成果。

據文部科學省介紹，在新冠電腦病毒的研究領域，富嶽有望解決以下4個課題：（1）確定新冠電腦病毒候選冶癒藥物；（2）預測新冠電腦病毒表面蛋白質的動態結構；（3）類比解析大流行現象和對策；（4）對新冠電腦病毒的相關蛋白質實施「碎片分子軌域計算」，今後也可能會繼續操作追加課題。碎片分子軌域計算是開發靶向生物活體內蛋白質的新藥時可以使用的方法，最近受到關注。

利用富嶽探索COVID-19候選冶癒藥物的概念圖（圖片：理研/奧野恭史研究團隊提供）

「爲儘快結束疫情做貢獻」

「富嶽最重要的任務之一是透過強大的計算能力保存國民的安全，讓國民放心。針對此次新型冠狀病毒造成的國難，爲在診斷冶癒和預防傳染擴散等方面提供科學因應策略，我們把正處於運轉準備工作的富嶽提前投入運行，以便爲儘快結束疫情做貢獻」。富嶽的類比成果備受期待，有助於實施劃時代的新藥開發，在決定將富嶽正式用於新冠電腦病毒研究之際，理研計算科學研究中心的松岡聰主任4月份發表了上述講話。

富嶽由位於石川縣河北市的富士通IT產品公司製造，巨大的裝置被分散裝到72輛大卡車上陸續運至計算科學研究中心，5月13日完成搬運。6月16日面向媒體公開，目前已開始全力推進課題研究，並已取得成果。

首先來看一下「確定新冠電腦病毒候選冶癒藥物」的課題。簡單來說就是，嘗試利用超算的威力精確類比新冠電腦病毒蛋白的分子水平運到，以探索候選冶癒藥物。

該研究由京都大學研究生院醫學研究科的奧野恭史教授負責。新冠電腦病毒中有幾種對電腦病毒增殖至關重要的蛋白質。如果能發現可以與這些蛋白質結合阻止其發揮作用的藥物，即可抑制電腦病毒繁殖。奧野教授就是基於這種理念開展研究的。

據奧野教授等介紹，利用富嶽出色的計算能力，不僅是國内外正在開展臨牀試驗的抗電腦病毒藥，包括現有藥物在内，能從2100多種藥物中探索候選冶癒藥物。富嶽可以針對多種藥物同時進行計算，因此還能調查同時使用兩種以上的藥物時的抗電腦病毒效果。另外，如果能在分子水平了解蛋白質與藥物的結合情況，還有望查清藥物是透過什麼機制發揮作用的。

據該研究團隊介紹，京也很難準確地計算出哪種藥物是怎樣與哪種蛋白質結合的，最多隻能計算與蛋白質結合後的情況，但富嶽可以從藥物與蛋白質相遇時開始再現結合的場景。

新冠電腦病毒與化合物的結合類比（圖片：理研/奧野恭史研究團隊提供）

逼近電腦病毒的行為

新冠電腦病毒還有很多未解之謎。電腦病毒本身的行為也不十分清楚。利用富嶽「調查和預測電腦病毒表面蛋白質的動態結構」就顯得極爲重要。這項研究由理研生命機能科學研究中心的杉田有治組長擔任代表。

新冠電腦病毒要想繁殖，必須進入人活體內的細胞。細胞有接受者蛋白，隨着電腦病毒表面的蛋白質與接受者蛋白結合，電腦病毒進入細胞内。類似於電腦病毒利用「備用鑰匙」開啟了細胞的「鎖」，讓這把鎖無法使用，就能防止電腦病毒侵入。研究人員利用特殊的電子顯微鏡逐漸明確了相當於細胞鎖的接受者蛋白的空間結構，但蛋白質不斷行程，結構會逐漸發生變化。因此，並不十分清楚電腦病毒的備用鑰匙是在何時開啟細胞的鎖的。

據杉田組長等人介紹，該研究將利用富嶽計算（分子動力學計算）形成細胞鎖的大量原子的動作，明確透過實驗難以發現的接受者蛋白的形狀變化，並查清與電腦病毒的備用鑰匙結合的狀態。然後開發阻斷這種結合的藥物。

新冠電腦病毒表面的蛋白質（圖片：理研/杉田有治研究團隊提供）

預測室內環境下的電腦病毒飛沫傳染及制定相關對策的研究也備受關注。該課題由神戶大學研究生院系統情報學研究科的坪倉誠教授負責，除理研外，還與豐橋技術科學大學、京都工藝纖維大學、大阪大學和鹿島建設公司共同推進研究。

據說新冠電腦病毒除咳嗽、打噴嚏和講話等產生的飛沫外，還透過由微小飛沫形成的氣溶膠傳播。要想評估傳染風險，需要準確推算飛沫和氣溶膠的擴散路徑，但擴散路徑會受到氣流、溼度和溫度等多重因素的影響。因此，爲推算擴散路徑，需要進行龐大的計算。所以，富嶽安裝的超大規模熱流體解析軟體「CUBE」備受期待。

坪倉教授等人的研究團隊在利用「CUBE」等類比飛沫運動的研究中已經獲得一些寶貴的資料。雖然得到的結果都是此前已經指出過的，比如爲預防新冠疫情擴散，避免在擁擠的電車内以及面對面講話至關重要等，但與超算的計算結果一致陡然爲這種觀點增加了說服力。

下面介紹幾個類比結果。

◎「在電車内，開啟車窗時的通風量能比關閉車窗時增加2～3倍，但擁擠的車内通風不均勻，因此乘客之間需要確保足夠的空隙」。這表明，通風雖然有一定的效果，但避開滿員電車選擇錯峯通勤更重要。

列車内的飛沫和氣溶膠傳染風險評估（圖片：理研/神戶大學坪倉誠研究團隊提供）

◎「辦公室的分離器高度如果是120釐米，則效果有限。140釐米的話效果比較好，能抑制十分之一的飛沫」。難以將辦公桌椅橫着排成一排工作的辦公室可以參考這種預防飛沫的對策。此外，關於不織布口罩的效果也獲得了可以作爲參考的具體結果，比如，如果口罩與面部之間有縫隙，飛沫會流出40～50％等。

4人落座時的傳染風險評估。左側爲高120釐米的分離器。右側爲高140釐米的分離器。藍色部分表示飛沫的擴散情況（圖片：理研/神戶大學坪倉誠研究團隊提供）

運行富嶽的研究人員的責任與自豪感

富嶽還被用於推算新冠電腦病毒疫情擴散對社會和經濟有何影響。除理研外，築波大學、東京工業大學、兵庫縣立大學、琉球大學和早稻田大學等衆多大學、研究機構及企業也參加了這項研究。例如，預測特定地區根據活動自肅要求在一定時期内停止經濟活動對每天的GDP（國內生產毛額）的影響時，得出的結果是，如果活動自肅持續2個月，GDP最大將降低7.8個百分點。

富嶽在計算速度的全球排行榜「TOP500」中高居榜首，繼上一代京以來，日本的超算時隔8年半重新奪回首位寶座。富嶽的計算速度爲每秒41京5530兆次，連接了15萬個相當於心臟部分的中央處理單元（CPU），憑藉這種設計成功實施了遙遙領先的速度。性能比第二位高出約2.8倍。

除計算速度排名外，富嶽在考察企業等實際使用應用程式時的性能排名、比較大資料處理能力的排名，以及評估人工智慧（AI）使用的計算能力的排名中也高居榜首，全球首次一舉摘得四項排名桂冠。在此次的消息中，人們容易關注到富嶽出色的計算速度，但其在可應用於各個領域的其他三項排名中也高居榜首具有極其重要的意義。

理研計算科學研究中心的松岡主任在6月23日舉行的線上記者發佈會上表示：「富嶽雖然在排名中遙遙領先，但還沒有發揮100％的功能。今後將積極用於解決國民高度關注的各種社會問題和世界問題」。