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Neue Computer-Architektur: Zeitraffer für die Demenz-Forschung

Bonn, 28. März 2018 ‑ Das Deutsche Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) startet in Bonn gerade einen neuen Hochleistungsrechner. Dieser soll die Auswertung biomedizinischer Daten enorm beschleunigen und zu schnelleren Fortschritten in der Demenz-Forschung führen. Dazu nutzt der Rechner die Prinzipien der neuartigen Computer-Architektur „Memory-Driven Computing“.

Zitat :

Die Zeit drängt: Denn Demenz-Erkrankungen wie Alzheimer zählen bereits heute zu den größten Herausforderungen in der Medizin. Das Problem wird sich durch die wachsende ältere Bevölkerung noch verstärken. Neue Ansätze für die Prävention und Therapie könnten sich aus der Analyse von Gendaten und von Hirnscans ergeben. Doch deren Auswertung erfordert enorme Rechenpower. Deshalb haben das DZNE und Hewlett Packard Enterprise (HPE) eine Kooperation gestartet, um das Potenzial des „Memory-Driven Computing“ für die medizinische Forschung zu verwirklichen. Das DZNE ist weltweit das erste Institut, das diese radikal neue Computer-Architektur in der biomedizinischen Forschung einsetzt.

Nach einer gemeinsamen Machbarkeitsstudie folgt nun der nächste Schritt: Gerade wurde ein neuer Hochleistungsrechner vom Typ „HPE Superdome Flex“ im Bonner DZNE-Rechenzentrum in Betrieb genommen. Bisher hatten die Wissenschaftler des DZNE ihre Algorithmen auf Rechnern von HPE in den USA getestet. Bereits dort gelang es, die Zeit eines Rechenprozesses für die Auswertung von Gendaten von 22 Minuten auf 13 Sekunden zu verkürzen. Nun steht den Bonner Forschern ein eigenes System zur Verfügung.

Eine völlig neue Architektur

Das von HPE entwickelte Memory-Driven Computing bricht radikal mit der Tradition aller bisherigen Computer, indem es nicht den Prozessor, sondern den Arbeitsspeicher ins Zentrum der Architektur stellt: „Idealerweise liegen sämtliche Daten gleichzeitig im riesigen Arbeitsspeicher vor“, so Prof. Joachim Schultze, Genomforscher und Arbeitsgruppenleiter am DZNE. „Sie müssen also nicht erst aus externen Speichermedien eingelesen werden, sondern der Prozessor kann unmittelbar darauf zugreifen.“ Das spare viel Zeit und Energie.
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Denn ein Kernproblem der Demenzforschung sind die riesigen Datenmengen. Das gilt beispielsweise für die Analyse von Abschnitten des Erbguts, von denen vermutet wird, dass sie für eine Erkrankung von Bedeutung sind. Solche Sequenzen können hunderte Millionen genetischer Bausteine umfassen. Deren Auswertung und Abgleich mit Referenzdaten kann mit konventionellen Hochleistungsrechnern einige Wochen beanspruchen. Mit Hilfe des Rechners, der nun in Bonn zur Verfügung steht, wollen die Wissenschaftler des DZNE ihre Auswertungs-Algorithmen erheblich optimieren.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel sind Studien mit tausenden Probanden. Dabei müssen die erhobenen Werte immer wieder mit Referenzdaten anderer Studienteilnehmer verglichen werden. Schon bei einem einzigen Probanden können dabei hunderte Gigabytes an Daten zusammenkommen – also hunderttausende Millionen von digitalen Informationseinheiten. Dies gilt insbesondere, wenn verschiedene Arten von Daten miteinander verknüpft werden, etwa Daten aus einer Genomanalyse mit denen von Hirnscans. Und diese Datenpakete müssen mit einer jeweils ebenso riesigen Datenmenge tausender anderer Probanden verglichen werden, um beispielsweise Alzheimer-spezifische Veränderungen zu finden. Die Aufgabe, in der Größenordnung von Petabytes (Millionen mal Milliarden) an Daten nach Symptomen zu suchen, ist nicht sequenziell lösbar. Vielmehr müssen die DZNE-Forscher möglichst alle Daten gleichzeitig im unmittelbaren Zugriff, also im Arbeitsspeicher, haben.

LG,
Aggi