I de lugna foten av Kentucky, en massiv superdator rusar igenom data. Det letar efter nya läkemedel för att bekämpa cancer.
Varje vecka behandlar DataseamGrid beräkningar för 300 årsverken. Ja, det är 300 års beräkningar varje vecka. Läkemedelsupptäckt tar vanligtvis 10 till 15 år, men DataseamGrid bläddrar igenom det arbetet på en bråkdel av den vanliga tiden. Det är en av de största rörledningarna för potentiella nya cancerläkemedel i landet. Forskare här är på väg att starta mänskliga försök i år med ett nytt läkemedel som superdatorn upptäckte, vilket om det lyckas kan leda till en helt ny klass av cancerläkemedel.
DataseamGrid är det största nätet i sitt slag på planeten - en monstermaskin som har fått ingen nationell press, förrän nu, vilket är anmärkningsvärt för ett så stort, ambitiöst och framgångsrikt projekt.
Men den största innovationen kan vara dess arkitektur. Gridens processorkraft kommer från 14 000 vanliga iMac -enheter som sitter i skolklassrum spridda över Kentucky. DataseamGrid är en fattigmands superdator, hopbunden från klassrumsdatorer i fattiga offentliga skolor i Bluegrass-staten.
Barn i en tredjedel av Kentuckys skoldistrikt använder Dataseam-datorer varje dag. Få har en aning om att maskinen som hjälper dem att förstå fraktioner också driver ett toppmodern program för upptäckt av läkemedel i bakgrunden.
"Det är kontraintuitivt att denna avancerade forskning görs i en av de fattigaste delarna av landet", säger Brian Gupton, Dataseams grundare och verkställande direktör.
DataseamGrid är en del av en ny våg av grid-computing-projekt, som har kommit långt sedan ET-jakten SETI@Home tog rubriker på 1990 -talet. CERN i Schweiz har ett 100.000-processornät som krossar de 15 petabyte data som produceras varje år av Stor Hadron Collider. Det nätet bidrog till upptäckten av Higgs boson "God particle" 2012. I andra delar av Europa gillar superdatorer Europeisk nätinfrastruktur och Frankrikes Wisdom -nät har sökt droger för att bekämpa fågelinfluensa, malaria och AIDS -viruset.
I USA, FightAIDS @Home -projekt ansluter tusentals datorer i en jakt på bättre anti-HIV-läkemedel, medan Einstein@Home -projekt letar efter bevis för gravitationens vågor. Einstein@Home är ett av de mest populära distribuerade dataprojekten och lockar mer än 300 000 volontärer i 221 länder. I februari 2014 klockade nätverket cirka 1 100 TFLOPS av beräkningskraft, placerar den i de första 30 av världens TOPP 500 superdatorer.
Men DataseamGrid skiljer sig markant från tidigare nätverksdataprojekt som SETI@Home, a skärmsläckare som använde extra CPU -cykler för att leta efter tecken på främmande intelligens i radiosignaler från yttre rymden. SETI@Home skötte upp antal kraschande uppgifter till en skärmsläckare som laddades ner av tusentals volontärer-men noder var inte anslutna till varandra. När beräkningarna var klara överförde varje nod resultaten till centraliserade servrar, vilket tabulerade resultaten. Uppgiften distribuerades - inte själva superdatorn.
DataseamGrid i Kentucky är mer en stor virtuell maskin som behandlar varje nod som en av dess bearbetningsenheter. Det är en virtuell superdator som koordinerar arbete över noder och det som framkommer är en stor, virtuell maskin.
"Grid computing fick aldrig respekt", säger Gupton. ”Det sågs som en nyhet, ett trevligt sätt att göra Mandelbrot -uppsättningar. Vi legitimerar det som en beräkningsmetod. ”
Gupton är en utpräglad blå krage idealist-cum-entreprenör. Han är son till en kolgruvar, han verkar mer intresserad av att få in datorer i klassrum än att driva banbrytande cancerforskning-även om han lyckas göra båda.
2001 samarbetade Gupton med Dr. John Trent, en cancerforskare vid University of Louisville, och två andra lokala företagare: Dean Hughes och Henry Hunt, som nu är Dataseams COO. De bestämde sig för att bygga en superdator på billiga.
Privata nät är dyra, liksom superdatorer tillverkade av hårdvara, som Virginia Tech Big Mac, som avvecklades 2012. DataseamGrid är ett unikt offentligt/privat partnerskap, som till stor del byggs med hjälp av statlig ekonomisk utveckling medel, inrättade för att diversifiera Kentuckys ekonomiska profil och kompensera statens minskande kol industri.
Kentucky är en av de fattigaste staterna i Amerika. Dess östra del täcker Appalachiska bergen, som länge har förknippats med svårigheter. I takt med att arbetslösheten växer blir fler stimulanspengar tillgängliga. Dataseam använder medlen för att köpa nya datorer till skolor, och i utbyte går de med i nätet. Datorerna tjänar ett dubbelt syfte: de tillhandahåller nya datorer till några av landets fattigaste skoldistrikt och de ger cancerforskare en kraftfull superdator för att söka efter cancerläkemedel.
"Vi bygger en datorinfrastruktur", säger Gupton, "och Johnny kan använda detta för sitt skolarbete."
Det byggdes ursprungligen med Apples Xgrid, ett mjukvarupaket för distribuerad dator som bakats in i Mac OS X från 10,4 till 10,7z. Med några tweaks och lite egenutvecklad programvara gjorde Xgrid installationen av systemet superenkelt: det var lätt att lägga till nya noder - en maskin, ett klassrum, en hel skola - och systemet hakade knappt om hela distrikt gick off-line.
Att aktivera Xgrid var ett klick med en knapp i OS X. Systemet upptäckte automatiskt alla maskiner i nätverket som var tillgängliga. Om ett nätverk av datorer redan fanns på plats var det i princip gratis att skapa ett kluster - allt var redan inkluderat i OS X eller nedladdningsbart från Apple. Harvard- och Stanford -universitet har Xgrid -kluster med cirka 400 eller 500 datorer som var och en utför uppgifter som genomsekvenssökning och Röntgenkristallografi; men Dataseam är det klart största.
Apple tog bort Xgrid från Snow Leopard (OS X 10.8), vilket tvingade Dataseam att skriva sin egen proprietära nätverksprogramvara.
Rutnätet
Dataseam Grid är en monstermaskin. Den är gjord av 14 000 stationära datorer i 54 skoldistrikt spridda över Kentucky (se karta). Projektet berör cirka 100 000 barn och upp till 8 000 lärare. IMacs har tvåkärniga processorer som körs på 1,83 GHz eller bättre. De är mer än tillräckligt kraftfulla för att köra nätbearbetningen i bakgrunden. Vissa skolor har hundratals maskiner på nätet; andra har dussintals. De flesta datorer är relativt nya.
"Teoretiskt sett har vi några skoldistrikt med lika mycket hästkrafter som Los Alamos", säger Gupton och syftar på superdatorerna för kärnkraftstester vid Los Alamos nationella laboratorium.
Dataseam -rutnätet är sammanlänkat över skolområdenas gigabit -fiberstam. Under de senaste åren har delstaten Kentucky anslutit de flesta av sina skolor till en mycket snabb infrastruktur med hög bandbredd. Detta berodde till stor del på federal eRate -finansiering från FCC för ryggradskommunikationsprojekt, som beviljar bidrag baserat på antalet studenter på gratis- eller rabatterade lunchprogram. Många Kentucky -skolor har upp till 80 till 90 procent inskrivning.
Nätet är extremt flexibelt. Dataseam kan fortsätta lägga till och uppgradera maskiner, lägga till ett klassrum eller ett helt skoldistrikt.
"Det är ett mycket kostnadseffektivt sätt att få det gjort", säger Gupton.
Dataseam -rutnätet stannar aldrig. "Vi kör 24/7, även när barnen är på lådorna", säger Gupton. Datoruppgifterna kan vara processorintensiva, men Gupton och Trent måste se till att de inte överbelastar datorerna.
"Vad vi än kör kan inte påverka kundens prestanda", säger Trent. "Vi kan inte bromsa en tredjedel av skoldistriktens utbildningsdatorer."
I framtiden, säger Gupton, kommer offentliga/privata nät som Dataseam att fungera som verktyg och erbjuda antal-crunching på begäran för stora forskningsprogram. Det är en form av molnberäkning. Precis som Amazon hyr ut ledig kapacitet för sina massiva datacenter, kommer företag och skolor att kunna utnyttja oanvända CPU -cykler i sina nätverk.
"När Brian och jag startade forskningen hade vi fem processorer", säger Trent. ”Det har växt otroligt. Allt vi gjorde under det första året kan vi nu göra på en natt. ”
Men med Apples avbrott av Xgrid blir Mac-baserade superdatorer och kluster en sällsynthet. Virginia Tech superdator har tagits ur drift, och jag kunde inte hitta något omnämnande av Mac senast Top500 -lista över världens snabbaste maskiner. Professor Jack Dongarra, som håller listan, säger att det inte finns några. "Jag tror inte att det finns några Mac -kluster på Top500", sa han.
Forskningen
Trent och hans kollegor letar efter kemikalier som kommer att störa eller hämma tillväxten av cancer. Baserat på modelleringstekniker som just vann Nobelpriset i kemi 2013, de har byggt en simulator som tar en 3D -modell av ett cancerprotein och matchar det mot en molekylär modell av en kemikalie. Rutnätet förflyttar 3D -modellerna och försöker passa ihop dem som ett 3D -pussel. En matchning representerar ett potentiellt läkemedel mot cancer. Om kemikalien binder starkt till proteinet kan det kanske stoppa dess tillväxt i en cancercell. De arbetar med ett bibliotek med 20 miljoner kemikalier.
Trent och hans team arbetar med 14 andra cancerforskargrupper runt om i landet och internationellt. Om de bestämmer sig för att ett mål är mottagligt för modellering - och inte alla är - och det går på nätet för att matchas mot det kemiska biblioteket. Nätet kan svänga igenom 7 miljoner föreningar på en helg. Den producerar cirka 1,6 TB data per körning. Resultaten återkommer några dagar senare. Om nätet returnerar lovande matcher testar Trents team kemikalierna fysiskt i labbet. Cancerproteinerna och kemikalierna blandas ihop i laboratoriet för att se om de binder - det som kallas en funktionell analys. Om de gör det, kan kemikalien-nu ett potentiellt läkemedel mot cancer-fortsätta i en lång rad försök för att testa dess lämplighet för behandling av cancer hos människor.
"Läkemedelsupptäckten tar några dagar", säger Trent. "Den kliniska testningen tar år."
Dataseam påskyndar processen för upptäckt av läkemedel med storleksordningar. För tio år sedan skulle detta arbete ha utförts av grupper av studenter som använde petriskålar. De skulle blanda förening efter förening för att se om det fanns en bindning. Nu kan samma tester simuleras och bindningar testas praktiskt taget. All forskning styrs av en enda iMac på Trents kontor.
Det finns bara två eller tre andra cancerforskningscentra i USA som gör liknande screenings med hög genomströmning med hjälp av superdatorer, bland dem Georgetown, University of Michigan och University of California i San Francisco.
Hittills har DataseamGrid undersökt mer än 250 olika cancermål och hittat 30 kemikalier som har verifierats kliniskt. En av de potentiella läkemedel som nätet upptäcker är på väg att gå in i mänskliga prövningar. Det är för behandling av fasta tumörer; det vill säga de flesta andra cancerformer än leukemi. Trent säger att om det lyckas kan föreningen representera en ny klass av läkemedel mot cancer. Ironiskt nog kommer några av forskningsprogrammets mest lovande anticancerföreningar från tobaksväxten-en av statens största kontantgrödor.
Den kliniska testprocessen är dock den svåra delen. Två potentiella läkemedel som tidigare upptäcktes vid universitetets cancercenter var i fas II -testning fram till förra året. Företaget som körde testerna stötte på ekonomiska problem och försöken väntar. Trent säger att han hoppas att en av drogerna kommer att återgå till test senare i år. Den andra är i klinisk limbo. "Det är läkemedelsaffären", erkänner han.
Trent hoppas att nätdatorer kan revolutionera läkemedelsupptäckten för sällsynta cancerformer, som inte lockar läkemedels uppmärksamhet på grund av ekonomi. Han är särskilt intresserad av cancer i barndomen. "Det finns inga pengar till forskning för barn", säger han. "Cancer är en äldre persons sjukdom."
Inställningen
Kentucky är en osannolik plats att driva ett toppmodernt medicinskt forskningsprogram. Känd för sin bourbon, stekt mat och tobak, är cancerfrekvensen här 220% högre än riksgenomsnittet. Det leder nationen med lung- och kolorektal cancer, liksom hjärtsjukdomar.
"Det finns mycket rökning och dåliga kostvanor här", säger Gupton.
Kentucky är väldigt fattig. Medianstatens inkomst är 42 000 dollar per familj, men kan sjunka till 10 000 dollar för de fattigaste länen, där arbetslösheten stiger till 20% och nästan 40% av befolkningen lever under den nationella fattigdomsgränsen. Om du tittar på en karta över utbildningsnivåer mot inkomstnivå, "stora delar av Kentucky ser ut som indiska reservationer i New Mexico", säger Gupton.
Gupton påminner om reaktionen från en medlem av hans hemstad skolstyrelse när han först berättades om Dataseam Grid. "Han är en bonde. Ätit upp av cancer. Han levde bara för att trots det. Overall. Leriga stövlar. Han sa: 'Jag vet ingenting om datorer, men om det hjälper till att bekämpa cancer hjälper vi till att sätta in det ikväll.' "
Gupton fortsätter: "Jag hatar att låta som om vi är ohälsosamma och outbildade, men vi har våra utmaningar." Sysselsättning i Kentucky har traditionellt varit kolbrytning. Men när industrin har krympt har jobb försvunnit och nya har inte förverkligats. Brist på utbildning förenar bara problemet. "Men vi har också våra möjligheter", tillägger han.
”Utbilda arbetskraften så kommer företagen”, säger Henry Hunt, Dataseams operativa chef. ”Innan dessa barns framtid var gruvdrift, kanske. Nu skickar vi barn till college med stipendier. ”
Utbildning är verkligen det som får Dataseam -teamet att skjuta upp. Detta är den del av programmet som Gupton brinner mest för. Att hitta läkemedel mot cancer är coolt, men att ge barn en utbildning är det som verkligen driver honom.
Några av skolorna körde Mac från LC-era. Nu producerar barnen poddar, nyhetsbrev och digitala videor. De strömmar basketspel, kommunicerar med andra barn och trupper utomlands och använder dem för skolarbete.
Dataseam delar ut cirka 20 betalda stipendier om året och skickar studenter till två lokala universitet - University of Louisville och Morehead State University. Det har också gett utbildning och karriärutveckling för cirka 6000 lärare.
Det har också utbildat mer än 112 skol -IT -tekniker med Apples professionella certifieringar, vilket gör Kentucky till den högsta koncentrationen av Apple-certifierade tekniker i USA, per capita grund.
"Vi växer medvetande", säger Gupton. - Det handlar inte om att ha en stark rygg. Det handlar om om du kan tänka. ”
Han fortsätter: ”De jobb vi försöker skapa är de som skapar en ny ekonomi i staten och hållbar rikedom. Vi driver den ekonomiska utvecklingen. Vi bygger mänsklig infrastruktur och kapital. ”
Gupton berättar om en man från Martin County, där Lyndon B. Johnson förklarade kriget mot fattigdom 1964. Han började som vaktmästare i skolsystemet och tjänade mindre än $ 14 i timmen. Han studerade till certifierad Apple -systemingenjör, ett program som stöds av Dataseam. Nu arbetar han i ett lokalt skoldistrikt som certifierad teknikprofessor och tjänar 50-60 000 dollar per år. "Den här killen är en av programmets framgångar", säger Gupton. ”Han visar vad utbildning handlar om. Det har haft en enorm inverkan på hans liv och hans familj. ”
"Det brukade handla om sömmar av kol", säger Gupton. "Nu är det sömmar av data."