"Vi er i gang med at lave en minimal levende organisme. Vi starter helt fra grunden, hvor vi ikke tager udgangspunkt i en levende celle. Vi starter med materialer, der ikke er levende, og så sætter vi dem sammen på en måde, så de bliver levende."
Det lyder umiddelbart som en umulig opgave, når Steen Rasmussen fortæller, hvad forskerne på Syddansk Universitets Center for Fundamental Living Technology. FLinT er i gang med.
Men det er ikke umuligt, blot meget kompliceret, forsikrer Steen Rasmussen, der er grundforsknings-professor og forskningsleder på FLinT.
Til at hjælpe med at løse den komplicerede opgave har Syddansk Universitet nyligt installeret et nyt High Performance Computing-cluster (HPC).
Den nye supercomputer er en IBM System x iDataplex-løsning med 264 servere, der er tæt forbundne via et 40 gigabit per sekund Infiniband-netværk.
Den nye supercomputer er navngivet Horseshoe 6 - mere om navnet senere - og hjælper forskerne med at finde frem til hvilke laboratorieforsøg, som forskerne med fordel kan udføre og er samtidig et effektivt værktøj, når resultaterne fra laboratorieforsøgene skal fortolkes.
Simuleringer af molekylære processer
"Vi bruger supercomputeren og andre computere til at lave modeller af fysiske, kemiske, biologiske og biokemiske systemer. Vi forsøger så at lære, hvad vi kan om de systemer ved hjælp af computerens simuleringer af systemerne. Det gør os bedre rustet til at lave de konkrete eksperimenter i laboratorierne," forklarer Steen Rasmussen.
Når Steen Rasmussen taler om kunstigt liv, er det liv på molekylær plan og ikke kunstigt skabte mennesker eller dyr.
Selvom det er liv på molekylær plan, vil det udvise en række karakteristika, der er kendetegnende for alle levende organismer.
"Det liv, som vi laver, er meget simplere end det liv, vi kender i dag. Men det kan vokse, dele og udvikle sig," forklarer Steen Rasmussen.
Muligheden for at vokse, dele sig (replikere) og udvikle sig (evolution) er tre essentielle karakteristika for levende organismer.
"Vi skal have et system, der kan tage ressourcer ind og omdanne ressourcerne til byggesten, så den kan vokse og dele sig. Så skal vi have information, som delvis styrer og kontrollerer vækst- og delingsprocessen. Den information skal kunne videregives til næste generation og det skal samtidig være muligt at ændre lidt på informationen.
Når informationen kan ændre sig lidt, vil man få forskellige anden-generations-systemer, da de har forskellig information. Derfor vokser og deler de sig på lidt forskellig måde. Det giver mulighed for selektion. Har du selektion og replikation, så har du evolution. Og så har vi skabt liv," siger Steen Rasmussen.
Ingen eksakte forudsigelser
Selvom det kunstige liv er simplere end det som de fleste vil beskrive som liv, så er det på ingen måde enkelt. Derfor giver computer-modellerne kun fingerpeg om udkommet af laboratorieforsøg. Det er ikke muligt at lave modeller, der fuldstændigt forudsiger, hvordan systemerne vil reagere i virkeligheden.
"Det er komplicerede systemer vi arbejder med, så man kan ikke rigtig forudsige det på samme måde som man eksempelvis kan forudsige en satellits bevægelse omkring en planet. Årsagen til at man kan lave forudsigelser af hvordan satellitter bevæger sig er, at man kan lave nogle simple idealiserede modeller som fungerer forbavsende godt. Man har et stort legeme som er jorden og så har man et lille legeme som er satellitten," siger Steen Rasmussen og fortsætter:
"Hvis man putter nogle molekyler ned i vand, så har du millioner af komponenter, der vekselvirker med hinanden på samme tid, så det er meget meget mere kompliceret. Fordi der er mange ting i spil på samme tid kan vi ikke lave forudsigelser. Det er det, der er karakteristisk for denne del af videnskaben."
Nogle af modellerne er statistiske modeller, der opererer med sandsynlighed for opførsel.
Supercomputerens modeller anvendes af forskerne til at blive klogere på de laboratorieforsøg som de påtænker at lave.
"Vi kan lære noget om, hvordan de forskellige ting vekselvirker med hinanden inden vi laver vores eksperimenter. Vi kan luge ud i nogle af vores misforståelser tidligere ved hjælp af supercomputeren," siger Steen Rasmussen.
3D-modeller og test af hypoteser
Når et eksperimentelt laboratorieforsøg er udført er der en mængde data, der skal analyseres. Her kommer supercomputeren til hjælp.
"Når vi har lavet eksperimenterne, skal vi forsøge at fortolke, hvad der er sket. Der laver vi så modeller, der kan forklare, hvad vi finder eksperimentelt.
Det giver os bedre mulighed for at teste hypoteser. Hvis vi ved, at systemerne opfører sig på en bestemt måde, men ikke forstår hvorfor tingene opfører sig på den måde, så kan vi teste forskellige hypoteser ved hjælp af supercomputeren," siger Steen Rasmussen.
Forskerne definerer så en model, der under bestemte forudsætninger beskriver, hvordan komponenterne i et system vekselvirker med hinanden.
"Hvis modellen er rigtig, så vil man kunne reproducere de resultater man har fundet. Det betyder ikke, at man har bevist, at tingene hænger sammen som modellen beskriver, men det er en måde man kan teste sine hypoteser om, hvordan tingene er skruet sammen," forklarer Steen Rasmussen.
Hurtigere computere giver mere tid til forskning
Steen Rasmussen kom til Syddansk Universitet for to år siden. Inden da havde han forsket på Los Alamos National Laboratory, hvor verdens for tiden tredjehurtigste supercomputer er i anvendelse.
For Steen Rasmussen er hurtige computere en forudsætning for forskningsarbejdet i FLinT.
"For at få en bedre forståelse af processen, er vi nødt til at lave 3-dimensionelle modeller af hvad der foregår. Vi skal have en repræsentation af de enkelte molekyler og hvis der skal laves en nogenlunde rimelig simulering af nogle af de her biomolekyler, så kræver det en masse regnekraft," siger Steen Rasmussen.
Samtidig kan supercomputeren være med til at effektivisere forskernes tid.
Arbejdet foregår i cyklusser af computersimuleringer af processer, identifikation af velegnede laboratorieforsøg, udførelse af laboratorieforsøg, behandling af data fra forsøg, udarbejdelse af hypoteser på baggrund af forsøg og etablering af computermodeller til afprøvning af hypoteser.
Jo hurtigere supercomputeren kan give forskerne resultater, jo bedre kan forskerne anvende dem.
"På supercomputeren kan det gøres hurtigt. Det giver mulighed for en mere interaktiv proces, hvis resultaterne af beregninger kommer efter et par timer frem for, at man skal vente uger eller måneder på resultaterne. Det bliver muligt at lave flere og mere detaljerede undersøgelser indenfor den samme tid.
Hvis vi kan få resultaterne tre gange så hurtigt, speeder det hele processen op. Ved hjælp af hurtigere computere kan vi også begynde at stille nye spørgsmål og få dem besvaret; spørgsmål som vi slet ikke kunne få løst tidligere," siger Steen Rasmussen.
Som navnet Horsheshoe 6 antyder, så er det sjette generation af en supercomputer, som Syddansk Universitet har installeret.
Den første blev bygget fra grunden af almindelige dekstop-pc'er tilbage i 2002 og gav anledning til Horseshoe-navnet.
Computerworld har fået en snak om den nye Horseshoe 6 og tidligere generationer af supercomputere med systemadministratorerne hos Syddansk Universitet.
Fra standard desktop-pc'er til dedikeret HPC
Den oprindelige Horseshoe-opstilling bestod af 512 standard desktop-pc'er fra Compaq.
Hver pc havde en 2 GHz Intel Pentium 4 processor samt 1 GB RAM og 40 GB harddisk og var forbundet i et 100 Mb netværk.
Det var den fysiske opstilling af de 512 desktop-pc'er, der gav navnet Horseshoe. Da kølingen kom fra et kuldebassin i midten af rummet, blev reoler med desktop-pc'erne stillet i en hestesko langs med væggene.
Brian Truelsen var med til at opbygge den oprindelige Horseshoe og han er nu driftsleder i Syddansk Universitets IT-service.
"Den allerførste klyngecomputer lignede rent arkitektur-mæssigt det vi har i dag. I dag er det blot rackmonterede maskiner og Infiniband," beretter Brian Truelsen.
Erfaringerne med at anvende standard-desktop pc'er var dog ikke den bedste.
"Stabiliteten af dem lod noget tilbage at ønske. På en desktop-maskine er diskene ikke så holdbare. Harddiskene i dem døede for hurtigt, så det gav alt for mange vedligeholdelsesproblemer. På det første system med over 500 maskiner, skiftede vi 75 procent af harddiskene ud. Skal man have noget der kører 24-7, skal harddiskene være server-edition eller enterprise-edition," fortæller Brian Truelsen.
264 maskiner som een stor maskine
Den nye klyngecomputer Horseshoe 6 består af i alt 264 maskiner og blev taget i drift i april i år.
Selvom maskinerne i dag står i to rækker racks med 10 racks i hver række, har man beholdt navnet Horseshoe for supercomputeren.
I dag er det Erik Madsen, der sammen med kollegaen Torben Madsen står for driften og vedligehold af Horseshoe 6.
"Der er et komplet netværk i et lille rum. Alle de services som skal køre normalt i et netværk skal også køre i det lille cluster-rum. Det specielle ved maskinerne i Horseshoe 6 er, at maskinerne skal kunne agere som en stor maskine," fortæller Erik Madsen.
Selve administrationen af klyngecomputeren er ikke så meget anderledes end administration af andre servere.
"Jeg skal oprette forskerne som brugere på netværket og lukke folk ind og ud. Det er ikke meget anderledes end at være administrator på et normalt server-netværk, udover at maskinerne er større og hurtigere, ligesom diskene er meget større," siger Erik Madsen.
Talknuser-job i batch
Arbejdsopgaverne som klyngecomputeren skal varetage er dog en del anderledes en andre serveres opgaver. De beregningstunge job som forskerne specificerer splittes op i nogle delberegninger, så hver node får lov til at køre en portion af den store opgave.
"Forskerne anvender speciel software, der brækker et stort beregningsjob i stumper og stykker og smider ud til et antal maskiner. Disken, der sidder på den pågældende maskine, er så det diskplads, der er til rådighed. Det er et slags udvidet RAM-lager," forklarer Erik Madsen.
Forskerne kan få adgang til mere harddisk-plads, hvis der i selve jobbet er en henvisning til central storage.
Den centrale storage er dog forbeholdt til beregningsjobbets endelige resultater, mens hver enkelt nodes harddisk anvendes til mellemregninger.
C, Fortran og specialbiblioteker til talknuser-programmer
Forskerne anvender Fortran, c og C++ til at udvikle deres programmer ligesom de har adgang til special-libraries som Open MPI, et open source High Performance message passing library og Intel Math Kernel Library. En af maskinerne i Horseshoe 6 er dedikeret som en front-end til de andre 263 maskiner.
"Forskernes eneste adgang til clusteret er via en front-end-maskine. Her kompilerer de programmerne, som skal køres. Fra front-enden sættes beregningsjobbet i kø. Kø-systemet sætter jobbet i gang, når der er det nødvendige antal ledige noder tilgængelige. Forskerne har ikke adgang til selve noderne," siger Erik Madsen og fortsætter:
"Forskerne får email om at jobbet er slut og det resulterende datasæt kopieres ud til brugerens arbejdsareal. Beregningsjobbene fungerer ligesom et batch-job."
Mere performance for samme strømmængde
Udover strømmen til selve maskinerne, skal der også sørges for ekstra køling til serverrummet, så strøm er en stor udgift til Horseshoe 6.
"Strømregningen er noget der basker. Som en tommelfingerregel siger vi, at anlægget koster det samme som vi skal betale i strøm og køling over tre år," fortæller Erik Madsen.
Horseshoe 6 er dog mere energieffektiv end forrige generation klyngecomputer, Horseshoe 5, der tages ud af drift i april 2012.
Horseshoe 6 med 264 noder bruger med den nuværende belastning stort set samme strømmængde som Horseshoe 5, der kun har 105 noder.
Som det kan ses af graferne over udnyttelsesgraden af det nye system, er Horseshoe 6 ikke fuldt udnyttet endnu.
"Systemet har ikke kørt på fuld load endnu. Folk er ved at omlægge deres programmer til det nye system. De skal tilpasses til det nye system med rekompilering og linkning til de nye biblioteker," siger Torben Madsen.
Når forskerne har omlagt alle programmerne til Horseshoe 6, kan jagten på kunstigt liv fortsætte med fuld gigaflop-speed.
