Intel® 프로세서가 탑재된 Atos 슈퍼컴퓨터는 퍼브라이트 연구소(Pirbright Institute)가 증가하는 바이러스성 질병의 위협으로부터 가축과 사람을 안전하게 보호하는 데 도움을 줍니다.
배경
치명적인 바이러스가 출현하면, 과학자들은 반드시 신속하게 대응하여 바이러스의 특성을 파악하고, 바이러스의 확산을 추적하여, 바이러스가 가축을 파괴하고 사람을 감염시키는 것을 막아야 합니다. 이러한 과업의 글로벌 선두업체인 영국의 퍼브라이트 연구소는 다양한 워크로드를 취급할 수 있는 유연한 고성능 컴퓨팅(HPC) 자원이 필요합니다. 퍼브라이트 연구소는 Intel® Xeon® 프로세서 기반의 Atos 슈퍼컴퓨터를 도입했습니다. 다양한 응용프로그램을 실행할 수 있는 통합 환경이 갖추어져 있는 퍼브라이트 연구소는 과학적 생산성을 향상하고 정책 입안자가 바이러스 발생 위협이 있을 때 효과적으로 대응할 수 있도록 지원합니다.
영국 서리(Surrey)에 위치한 퍼브라이트 연구소는 영국이 경제적으로 중요한 가축의 바이러스성 질병을 예측, 감지, 파악 및 대응할 수 있는 역량을 갖추도록 정보 제공에 집중하고 있는 영국의 대표적인 연구 센터입니다. 이러한 과업은 치명적인 바이러스의 전세계적 확산을 추적하고 바이러스를 통제, 억제 및 제거할 수 있는 진단 도구, 백신, 치료법 및 정책을 개발하는 데 도움이 됩니다. 퍼브라이트 연구소의 성과는 질병 저항성을 증가시킬 수 있는 전략 또한 제안하고 있습니다. 전략 자금은 영국의 생명공학·생물학 연구위원회(Biotechnology and Biological Sciences Research Council, BBSRC)로부터 지원받습니다.
당면과제
인간 질병의 유전적 근거에 초점을 맞춘 융합연구기관인 GENyO는 임상 데이터 및 유전체 데이터를, 궁극적으로 인간 건강을 개선하기 위한, 과학적 통찰력으로 전환하기 위해 확장 가능한 고성능 컴퓨팅 자원이 필요하였습니다. GENyO의 소규모 클러스터와 개별 워크스테이션은 증가하는 수요로 인해 활용에 어려움을 겪고 있었습니다.
- 연구진은 향상된 성능과 확장성 및 안정성을 즐기고 있습니다. 해당 연구진은 이종 데이터 세트에 대한 정교한 분석과 관련된 많은 프로젝트를 포함하여 다양한 프로젝트를 진행할 수 있는 유연성을 확보하였습니다.
- 개발하여 안달루시아 지역의 9백만 시민에게 정밀의학을 제공하려는 안달루시아 보건부의 추진력에 도움이 될 수 있는 전략적 중요 연구의 수행 속도를 높이고 있습니다.
결과
- 과학자들은 신속한 결과로 바이러스성 질병의 영향을 줄이고 식량 안보를 보장하며 동물과 인간의 삶의 질을 향상시키는 데 도움이 될 수 있는 통찰력을 얻고 있습니다. 24시간 이내에 전체 바이러스 유전체에 대한 염기서열분석이 이루어지고, 이를 통해 바이러스 경로를 정확히 추적할 수 있어서 진단 도구, 백신 및 치료법 개발에 도움을 줄 수 있습니다.
- 통합 환경에서 다양한 워크로드를 실행함으로써 퍼브라이트 연구소는 간접 관리비용을 감축하고 다수의 시스템 간에 방대한 양의 데이터가 이동하는 데 드는 시간과 비용을 절감합니다.
이 솔루션은 Atos 고성능 컴퓨팅 기반 인공지능·양자생명과학 센터(Atos HPC, AI and Quantum Life Sciences Center of Excellence)의 보호 아래 배포되었습니다. 이는 새롭고 혁신적인 솔루션을 찾아내겠다는 목표 하에 첨단 컴퓨팅 기술을 생명과학 프로젝트에 더욱 밀접하게 접목시키려는 Atos의 글로벌 전략이 구현된 것입니다.
솔루션
퍼브라이트 연구소는 Atos 전문지식을 활용하여 Intel® Xeon® 프로세서 E7 및 E5 제품군에 기반한 이기종 노드가 탑재된 Atos HPC 시스템을 도입했습니다.
Atos 생명과학센터(Atos Life Sciences Center of Excellence, LSCoE)의 전문가들은 퍼브라이트 연구소와 협력하여 연구원들이 작업 프로세스의 효율성을 높이고 궁극적으로 바이러스 질병을 통제할 수 있도록 맞춤형 컴퓨팅 플랫폼을 제공했습니다.
생명, 경제 및 식량 공급 보존
농업은 영국 경제의 필수적 요소로, 식탁에 식량을 공급하고 거의 50만 명의 사람들의 수입원입니다.
바이러스성 질병은 가축에게 치명적일 뿐만 아니라 국가 경제에 엄청난 충격을 줄 수 있습니다. 구제역(FMD)이라는 단일한 영속성 바이러스는 가축 생산량 손실과 예방 접종 비용에 있어서 전세계적으로 연간 미화 210억 달러수준의 영향을 주고 있습니다. 구제역이 잘 통제되는 곳에서도 이 질환이 발병하면 매년 미화 15억 달러 이상의 손실을 초래합니다. 조류 인플루엔자와 같은 바이러스가 사람에게 전파되면 그 영향은 더욱 커집니다.
현재는 사람들의 이동, 세계 무역 및 기후 변화와 같은 요인으로 인해 바이러스의 활동이 점점 증가하고 있습니다. 퍼브라이트 연구소의 책임자이자 CEO인 Bryan Charleston 박사는 다음과 같이 말합니다. “전례 없는 바이러스의 전세계적 이동이 이루어지고 있습니다. 바이러스는 우리가 수년 동안 보아온 것보다 훨씬 더 역동적인 체계 내에서 움직이고 있습니다. 새로운 변종이 출현하고 있으며 이전에는 한 지역에 국한되어 있었던 변종이 새로운 지역까지 위협하고 있습니다.”
퍼브라이트 연구소는 연구 프로그램, 진단 실험실, 생물 밀폐 실험실 및 계산 과학자를 동일한 퍼브라이트 연구소 시설 안에 수용하고 있습니다. Charleston은 이에 대해 다음과 같이 말합니다. “이렇게 동일한 시설 내에 모든 것이 수용되어 있기에 생체 시료가 수집되는 현장에서 우리 실험실로 정보가 빠르게 전달됩니다. 또한 우리의 연구 결과물이 현장에서 질병 통제 전략을 개발하고 구현하는 사람들에게 신속하게 전달될 수 있습니다. 우리는 전세계 도처의 정부뿐만 아니라 제약 및 진단 회사에 지속적으로 자문을 해주고 있습니다.”
비상 상황에서는 질병 억제 엔벨로프 내에서 더 많은 데이터양을 배열하고 분석해야 합니다. Atos 플랫폼과 Intel® 프로세서를 사용하면 대역폭 문제 및 방대한 양의 데이터 이동 없이 신속하게 분석을 수행할 수 있게 하여 이를 통해 질병에 더 빠르게 대응할 수 있습니다.
Bryan Charleston 박사
퍼브라이트 연구소 책임자이자 CEO
퍼브라이트 연구소의 통합생물학·생물정보학 센터 소장인 Paolo Ribeca 박사는 다음과 같이 말합니다. “슈퍼컴퓨터를 구입하는 것은 슈퍼마켓에 가서 선반에 진열된 물건을 고르는 것과는 다릅니다. 특히 지원해야 할 다양한 사용자 애플리케이션이 많을 때 그렇습니다. 우리는 우리가 원하는 시스템을 정의하기 위해 수많은 설계를 수행했으며 또한 Atos와 논의했습니다. 이제 우리에게는 이기종 노드가 탑재된 중앙 집중식 슈퍼컴퓨터가 있으므로, 직면해야 하는 모든 종류의 문제에 대해 대응할 수 있습니다. Intel® 프로세서로 우리는 탁월한 성과를 얻을 수 있으며 모든 실용적인 목적에 사용할 수 있는 거의 무제한 급의 스토리지를 가지게 되었습니다.
Paolo Ribeca 박사
퍼브라이트 연구소의 통합생물학·생물정보학 센터 소장
실시간 통찰력
어떤 바이러스가 특별히 치명적인 이유는 무엇일까요? 일부 동물이 바이러스 감염에 저항할 수 있는 이유는 무엇일까요? 바이러스는 전파되면서 유전체, 세포, 분자 및 개체군 수준에서 어떻게 변할까요?
이러한 질문과 그 밖의 여타 질문에 답하기 위해 퍼브라이트 연구소의 과학자들은 유전체학, 단백질유전정보학, 전사체학 및 기타 “오믹스” 데이터를 역학 정보, 표현형 정보, 환경 정보와, 생물정보학, 통계학 및 수학적 모델링의 첨단 방법과 함께 통합하고 있습니다. 이러한 연구는 바이러스 자체뿐만 아니라 매개체(모기와 갯지렁이)와 숙주(가축)에 대해서도 수행합니다. 분자 역학자는 이러한 방법들을 결합하여 바이러스의 움직임을 추적하고 바이러스가 어떻게 진화하는지 파악할 수 있습니다.
많은 워크로드는 집약된 데이터를 이용하여 계산됩니다. 유전체는 종종 각기 다른 도구와 시험계획서를 사용하여 여러 차례 염기서열을 분석해야 합니다. 많은 관심 대상 바이러스는 DNA 바이러스가 아닌 RNA 바이러스입니다. 이러한 RNA 바이러스는 매우 빠르게 돌연변이를 일으키기 때문에 그 특성을 이해하려면 종종 밀접하게 관련된 유전체 무리를 분석해야 하므로 유전체 문제의 복잡성이 증가합니다. 이러한 상황에서는 빠른 처리가 필수적입니다. Charleston은 다음과 같이 말합니다. “우리는 고속처리 염기서열 분석과 충분한 계산 능력을 갖추었기에 실제로 전염 경로를 도표로 작성할 수 있고, 차이점을 법의학적 수준에서 확인할 수 있고, 바이러스가 퍼지면서 어떻게 변하는지 파악할 수 있습니다. 또한 실시간으로 발병을 추적하고 발병의 원인이 어디인지 정확하게 찾아낼 수 있습니다. 이와 같은 상세 정보를 실시간으로 파악하고 있어서 질병 발병을 통제할 수 있습니다.”
정밀의학 기회 포착
Atos 컴퓨터와 Intel 기술을 통해 GENyO는 정밀의학 분야를 대비할 준비가 잘 되어 있습니다. Carmona-Sáez는 다음과 같이 말했습니다.”이 분야에서 우리는 데이터와 정보를 가지고 있지만 지식도 필요합니다. 이 시스템은 프로젝트 수와 데이터 및 분석 양이 계속 증가함에 따라 커질 수 있는 확장성을 가지고 있습니다. 이는 우리가 다양한 데이터 자료들에 인공 지능을 적용하고 그 자료들로부터 지식을 추출하는 방향으로 나아가는 데 도움이 될 것입니다.”
GENyO의 연구로부터 혜택을 받게되는 궁극적인 수혜자는 안달루시아 사람들과 새로운 진단 및 치료법에 접근할 수 있는 전세계 사람들이 될 것입니다. GENYO의 책임자인 José Antonio Lorente 박사는 다음과 같이 말했습니다.“보건부는 2024년까지 이 지역의 모든 의사에게우리 실험실로부터 제공되는 , 통합 임상 건강 기록과 지능형 시스템에서 확인이 가능한 오믹스 데이터를 활용하고 해석할 수 있게 하겠다는 비전과 계획을 가지고 있습니다. 우리가 이를 수행하고 정밀의학 분야에서 계속적으로 획기적인 발전을 이룬다면 공공 의료 시스템이 우리 국민에게 제공할 수 있는 지원의 질을 더욱 향상시킬 수 있을 것입니다. 우리는 더 빠른 진단을제공함으로서 치료에 대한 접근성이 개선되고 치료 대기 시간이 단축되며, 지연으로 인한 고통을 줄여줄 수 있습니다. 우리는 생명을 구할뿐만 아니라비용도 절약할 수 있을 것입니다.”
다양한 워크로드를 위한 강력하고 유연한 시스템
계산 자원에 대한 수요가 증가함에 따라 퍼브라이트 연구소는 지난 10년 동안 확보한 워크스테이션, 서버 및 소규모 클러스터를 합해도 수요를 감당할 수 없게 되었습니다. 스토리지는 특히 문제였습니다. 각각의 그룹마다 로컬 스토리지 리소스를 가지고 있었기 때문에 협업 프로젝트와 혼합 워크로드를 위해서는 노화된 시스템들 간에 대용량 데이터를 전송해야 하는 경우가 많았습니다.
퍼브라이트 연구소의 리더들은 레거시 인프라를 현대화하여 과학적 생산성을 향상할 수 있는 기회가 있다는 것을 확인했고, 그 결과, Atos와 협력하여 퍼브라이트 연구소의 워크로드에 대한 성능과 처리량을 높일 수 있는 통합 환경을 설계했습니다.
Intel® 기술 탑재 시의 성능과 메모리
퍼브라이트 연구소에 설치된 새로운 시스템은 Intel® Xeon® 프로세서 E5 제품군을 기반으로 구축된 기본노드와 유전체 결합과 같은 메모리 집약적인 작업을 수행할 1.5TB 메모리가 탑재된 Intel® Xeon® 프로세서 E7-4809노드로 구성되어 있으며, 이 환경은 0.5페타바이트의 디스크 스토리지가 포함되어 있습니다.
Intel 기술의 선택은 일사천리로 이루어졌습니다. Ribeca는 다음과 같이 말합니다. “오늘날 우리 작업에 적합한 것으로는 Intel 이외에 많지 않습니다. 기본노드에 Intel Xeon 프로세서 E5 제품군을 탑재하면 많은 연산 능력을 갖게 됩니다. Intel Xeon 프로세서 E7 제품군을 활용하면, 많은 양의 메모리가 필요한 일반적인 알고리즘으로유전체 결합 및 대규모 서열 분석을 수행할 수 있는 대용량 메모리 노드를 보유하게 됩니다. 따라서 거의 모든 사용자가 대역폭, 데이터 전송, 저장 등의 문제에 대해 걱정할 필요 없이 친근한 환경에서 모든 유형의 작업을 수행할 수 있습니다.”
새로운 플랫폼으로 인해 퍼브라이트 연구소의 과학적 응용작업 속도가 높아졌을 뿐만 아니라, 센터와 Ribeca가 국제적인 리더로 활동하는 분야로 바이러스 연구에 적합한 혁신적인 분석 방법 및 계산 방법의 개발 속도도 높아지고 있습니다.
Ribeca는 다음과 같이 말합니다.”우리는 이전에는 특성이 규명되지 않았던 새로운 바이러스를 조사하기 위해 비표준 방법을 개발하고 있습니다. 또한 복잡한 개체군 구조를 갖는 바이러스 무리와 바이러스의 진화적 환경을 연구하고 있습니다. 이러한 연구를 수행하기 위해서는 이들 바이러스와 숙주 그리고 가능하다면 하나 이상의 매개체 간의 상호작용을 모델링해야 합니다. 이와 같은 모델링을 위해서는 창의력이 필요하며 알고리즘과 통계를 정확하게 조합하여 새로운 방법을 창안해야 합니다. Atos 플랫폼과 Intel 기술 덕분에 우리는 이러한 방법을 훨씬 더 빠르게 개발할 수 있으며, 그렇게 개발한 방법을 테스트할 때에는 인터넷을 통해 테라바이트의 데이터를 옮길 필요가 없게 되었습니다.” Intel 기술이 탑재된 Atos 시스템은 이전 레거시 환경에 비해 더욱 안정적이고 관리 가능하며 에너지 효율적이라고 Charleston이 논평합니다. Charleston와 Ribeca는 또한 Intel® 3D XPoint™ 기술, 비휘발성 메모리 및 스토리지의 혁신적인 발전, Intel® Xeon Phi™ 프로세서 및 차세대 Intel 프로세서를 포함하여 워크로드와 매우 관련성이 높은 새로운 Intel 기술 또한 알아볼 계획입니다.
결과 도출 시간 단축
결과 도출 시간을 단축하고 데이터 공유를 개선함으로써, 퍼브라이트 연구소의 강력한 새 플랫폼은 가축의 바이러스성 질병을 예방하고 통제하기 위한 세계 최고의 연구 센터가 되겠다는 퍼브라이트 연구소의 공약을 굳건하게 합니다. 플랫폼의 투자 수익은 통합된 현대적 환경을 통해 달성된 비용 절감뿐만 아니라 동물과 궁극적으로 인간의 삶과 복지에서 측정될 것입니다.
이기종 슈퍼컴퓨터, 바이러스 연구 및 동물방역의 발전에 기여