超及时诡计！智源模拟腹黑，竣事了生物时辰与诡计时辰比为 1:0.84。

一般来说，仿真时辰与生物时辰比达到 1:1，就依然算是及时诡计了。而在此之前的编造腹黑仿真系统还莫得竣事过，如今，在更大范围和更高复杂度的腹黑模子上竣事了 180 倍的速率培植。

智源征询院开发了具有邃密细胞电生理与剖解结构的东说念主心室模子。

该模子包含了 19 种细胞生理景况变量和 70 多个公式，概况竣事复杂的腹黑电生理与病理仿真，为临床与医药工业应用提供丰富的场景。

构建编造生理腹黑

腹黑，动作遑急器官之一，其功能平淡与否径直影响东说念主类的人命不竭。电生感性格反应了腹黑的健康和疾病景况。腹黑电生理行径的特殊，往往会导致心律失常，从而引诚腹黑泵血功能缺少等严重健康问题。因此，深切泄露和征询腹黑的电生理经过，关于提高腹黑病的会诊和调治水平至关遑急。

传统的腹黑电生理征询多依赖于实验室内的动物模子和临床数据，但这类方法往往受限于伦理问题、实验要求和数据获得的复杂性。跟着诡计手艺的发展，诡计机仿真成为了一种新兴且巨大的征询器具。

通过修复数学模子和诡计机门径，征询东说念主员可构建数字孪生腹黑，概况在编造环境中仿真并重现腹黑器官的电生理行径（编造生理腹黑），分析其动态性格，并进行不同生理与病理要求下的实验。

编造生理腹黑的构建可专揽生理组学的征询方法，详尽分子生物学、生牺牲学、生理学、剖解学及临床医学的最新后果，数学化以及模式化地整合从基因、卵白质、细胞、组织到器官的剖解（多物理范例：空间范例逾越 10^9 量级，跨时辰范例：时辰范例逾越 10^15 量级，如图 1 所示）、生理和生化信息，应用诡计机强有劲的诡计和图形流露才气，通过赋予其腹黑所具有的能源学性格、生化性格和各式生理病理特色，使之从方式、结构和功能等方面传神地再现腹黑的生理和病理行径经过。

△图注 1：构建编造生化生理东说念主体的时辰和空间范例。时辰范例横跨由分子事件（µ s）、细胞信号传导（ms）、细胞功能（s）到东说念主体寿命 ( decades ) 的 10^15 跨度。空间范例横跨由分子（nm）、细胞（µ m）、器官（cm）到躯干 ( m ) 的 10^9 逾越。

编造腹黑电生理仿真对诡计资源要求极高，即使是几毫秒的仿真，也需要蓄积求解数十亿次微分方程。使用复杂的编造腹黑模子进行征询时，重现 1 秒钟的腹黑电行径也可能需要数小时或更长。这给编造生理腹黑的临床应用与药物研发带来紧要挑战。

在早期编造生理腹黑征询中，腹黑一个生物秒的电生理行径往往需要数日以致数月来仿真诡计。跟着显存手艺的发展，这个时辰诽谤到数天。连年，有征询发奋于培植编造生理腹黑的诡计速率。比如通过将三维腹黑空间分歧为矩形子区域来竣事并行腹黑模拟 [ 9 ] ，使运算速率大大培植。另一项征询通过 WebGL 将高性能腹黑模拟彭胀到普通诡计机上，以致有 GPU 的手机也不错模拟三维心室的电动态。一些征询试图通过自适合时辰步长来提高开动速率，收尾标明，固定时辰步长比自适合时辰步长方法具有更好的遵守。

但这些征询仅能达到"准及时运算"，离真实兴味上的"及时运算"，即仿真时辰与生物时辰比达到 1:1，还有难以逾越的距离，更无须说仿真精度的培植带来的运算量爆炸式增长。高诡计复杂度带来的海量运算，使得编造生理腹黑模子难以竣事及时诡计，阻难其大范围应用。

为措置这一问题，智源征询院开发了一套及时腹黑电生理仿真系统。该系统不仅概况及时模拟腹黑的 3D 电行径，还能通过多种参数的疏通，深切探讨不同生理、病理身分对腹黑功能的影响。

这一及时腹黑仿真平台，一方面可在医学基础征询领域默契作用，匡助临床大夫和征询东说念主员更直不雅地泄露腹黑的电生理经过，探究心律失常产期许制、展望暴毙发生率等；另一方面，可用于构建编造药物安全性评估平台，对推动药物安全评估发展具有遑急兴味；更遑急的是，不错在临床应用中提供手术决策预演与决策扶植，比如射频消融决策谋划，腹黑起搏器最好植入决策谋划等。该手艺的鼓吹将为医学征询和临床调治提供新的范式。

及时诡计为了在更高分辨率、更高精度和更大范围的腹黑模子上竣事及时仿真，智源征询院开发了具有邃密细胞电生理与剖解结构的东说念主心室模子。

为竣事及时诡计，智源对模子底层诡计进行了深度优化。针对腹黑仿真上钩算强度大和 I/O 密集等瓶颈问题，智源充分鸠集 A100 平台的硬件特色，遐想了多种优化战略，如量化和轮回张开。这些行动灵验诽谤了诡计复杂度和 I/O，使得在更大范围和更高复杂度的腹黑模子上竣事了 180 倍的速率培植。

最终，智源编造腹黑仿真系统竣事了对腹黑电生理功能的及时仿真，达到生物时辰与诡计时辰比为 1:0.84。这一后果不仅培植了腹黑仿真系统的性能，还为更平凡的医学征询和临床应用提供了强有劲的扶植，象征着腹黑仿真手艺的又一紧要里程碑进展。

△图注 2：及时腹黑诡计概览图

手艺阶梯

在 GPU 的架构遐想中，捏法造访内存（如结合的数据造访）相较于就地造访具有更高的性能。此外，在施行捏法造访时，往往会领受预取手艺提前加载数据，以进一步提高造访遵守。

同期，在编造腹黑模子中，大要有 2/3 的物理空间位置是空余腔体空间，灵验心肌组织仅占 1/3 的物理空间。腹黑仿果然主要诡计和 I/O 操作王人鸠集在对灵验心肌组织中的每一个单细胞中的离子通说念和细胞膜电位进行时辰上的更新，同期磋议操纵细胞的电耦合影响。

基于 GPU 访存特色和腹黑剖解结构的特殊性，智源遐想了适应寥落数据的数据结构。专揽捏法访存培植 I/O 速率，确保并行线程仅处理灵验细胞，从而最大戒指地提高 GPU 内存的专揽率。通过这种立异的结构，显贵优化了诡计性能，使得腹黑仿真概况在 IO 访存上达到最优效果。

在诡计层面，领受量化战略，灵验简化模子中的对数和指数等复杂诡计，从而显贵诽谤了诡计复杂度。

此外，为进一步减少 I/O 操作次数，领受轮回张开战略，竣事在一次读取中进行屡次诡计，大大诽谤 I/O，显贵培植 SM 中枢的诡计专揽率。

基于 A100 平台，智源遐想了高效的 P2P 通信边幅，专揽 GPU 直连竣事在节点内快速的数据交换，确保数据传输的低延长与高带宽。在节点之间，领受 RDMA（良友径直内存造访），进一步增强跨节点数据传输的遵守，充分默契硬件平台的并行诡计与通信才气。

△图注 4：手艺阶梯图仿真收尾

团队测试了不同优化战略对仿真 2 生物秒腹黑功能所用诡计时辰的影响，收尾如下图所示。

对 2 生物秒腹黑功能的模拟，基准模子在未优化的情况下 A100 单卡需要诡计时辰为 304.25 秒。在领受散播式、量化、轮回张开战略后，其所用时辰分别是 9.75、3.93、1.68 秒。其中领受轮回张开后，诡计时辰达到 2 秒内，达到诡计时辰 / 生物比小于 1，竣事及时 / 超及时诡计的要求。其中，散播式诡计关于系统仿真速率影响最大，达到了 32 倍提速。量化战略和轮回张开战略分别将仿真速率培植了 2.48 和 2.34 倍。在同期领受散播式、量化、轮回张开战略的情况下，系统仿真速率合座培植了 181 倍。

△图注 5：不同优化战略的诡计时辰

△图注 6：不同优化战略的速率培植

拓展弧线

△图注 7：不同优化战略的拓展弧线

如图 7 彭胀弧线所示，跟着 GPU 卡数的增多，基准模子和优化后的模子仿真时辰王人在减少。基准模子在增多到 48 卡后，诡计时辰不再减小。此时的生物：诡计时辰比为 1:5。再领受量化和轮回张开战略后，32 张卡即可竣事及时诡计，生物：诡计时辰比达到 1:0.84。

主要 GPU 规划

△图注 8：不同优化战略的诡计密度和诡计强度

△图注 9：不同优化战略的内存和 SM 专揽率

通过 GPU 规划不错看出（图 8，图 9）量化战略通过培植 IO 同期诽谤诡计的边幅提高合座诡计性能；轮回展怒放过大幅度诽谤 I/O 同期提高诡计密度的边幅提高诡计性能。

诡计精度

团队统计了加快前与加快后的收尾弊端，仿果然膜电位 V 的时程判袂

△图注 10：仿真前后细胞主要离子通说念电流与胞内离子浓度在一心律节律间的变化

临了归来，智源征询院从腹黑模子的剖解结构、心肌细胞电生理的诡计特色及诡计系统的硬件架构开赴，遐想了腹黑仿真系统的数据结构和优化战略，以提高诡计遵守。智源领受先进的并行处理方法，充分专揽当代 GPU 勾引的巨大诡计才气，优化数据传输和通信边幅，以减少延长并提高数据费解量。通过这些战略，不仅培植了仿真系统的诡计速率，还保证了在可接受弊端范围内的诡计精度，最终收效竣事了腹黑仿果然及时诡计标的，达到超及时诡计收尾。

这一后果为进一步征询心律失常产生的离子通说念与分子机制等关节医常识题，也为手术谋划如房颤射频消融决策等临床应用，以及新药研发与其腹黑安全性筛选奠定了坚实基础，同期也为其它超大复杂物理系统的及时仿真提供坚实基础。

* 本文系量子位获授权刊载，不雅点仅为作家统共。

—  完  —

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