强大的超级计算能力重塑了威斯康星大学欧克莱尔分校的本科研究和教学

图片标题: 而泰勒·鲍尔大部分的系统管理工作都是在校园里完成的, 这里显示的Blugold超级计算集群的实际节点位于位于欧克莱尔西北部的Chippewa Valley技术学院拥有的共享技术空间中. (摄影:Bill Hoepner)

去年5月，卡特拉·利文斯从威斯康星大学欧克莱尔分校毕业，获得了生物化学/分子生物学学位, 她相信自己在布鲁戈尔德的许多研究机会将使她成为一名出色的求职者.

毕竟, 她知道她的名字即将被列为同行评审期刊出版物的共同作者，该出版物使用超级计算能力来模拟COVID-19变体的分子动力学并预测传播性. 发表如此及时和相关的发现是一个本科生的主要成就.

有一次李文斯开始面试工作, 她说，她意识到她的本科经历对生物医学领域的人来说是多么罕见.

“每个人都想问我澳门葡京网赌送彩金我所从事的这些计算研究的问题，”利文斯说. “他们简直不敢相信本科生会有这样的经历. 人们真的被震撼到了.”

利文斯是对的——她在计算生物医学研究方面的本科背景很少见, 因为威斯康星大学欧克莱尔分校拥有同类校园所没有的技术.

作为威斯康星大学欧克莱尔越来越定位自己成为首屈一指的区域大学健康科学, 布鲁戈尔德高性能计算中心正被证明是学生计划继续攻读研究生或在以技术为基础的生物医学领域工作的决定性因素.

拥有超级计算集群等资产，以及与威斯康辛州西北部的梅奥诊所健康系统正在进行的合作协议, 像利文斯这样的布鲁戈尔德确实准备好了继续给研究生院和雇主留下深刻印象的水平.

“医疗服务提供者越来越依赖预测分析和人工智能来帮助指导他们的决策,博士说。. 负责战略伙伴关系和项目发展的助理校长迈克尔·卡尼说.

“感谢美国国家科学基金会最初的拨款，以及惠普企业(Hewlett Packard Enterprise)慷慨的实物硬件捐赠。, Blugold HPC集群是一种最先进的资源，它已经通过分析大量的电子医疗记录，帮助我们的地区医疗服务提供者做出明智的决策,卡尼说。. “我们的学生在分析和解释这些大型数据集方面获得了无与伦比的实践经验, 他们在其他大多数综合性大学得不到的经验, 这将为他们在不断发展的医疗保健领域的职业生涯做好准备.”

Dr. 化学和生物化学教授苏迪普·巴塔查里耶(Sudeep Bhattacharyay)和博士. 马颖，材料科学与生物医学工程副教授, 是首席研究员和联合首席研究员吗, 分别, 澳门葡京网赌送彩金那350美元的提案,美国国家科学基金会奖金.

威斯康星大学欧克莱尔分校是威斯康星大学系统仅有的三所拥有超级计算中心的学校之一, 还有威斯康星大学麦迪逊分校和密尔沃基分校, 哪些被归类为研究型大学, 研究密集型机构的最高水平.

那么超级计算到底是什么呢?

在深入研究高性能计算在威斯康星大学欧克莱尔分校的影响之前, 描述超级计算本身将有助于定义这类工作的范围.

泰勒·鲍尔, Blugold高性能计算中心的管理员, 是2022年Blugold计算机科学专业的毕业生，曾在学习与技术服务(LTS)实习两年吗. 今年3月，他被聘为HPC集群的第一位全职管理员.

“有时候你想在电脑上运行一个程序来做一些研究项目, 比如分析一组数字, 但最终你可能会遇到一个限制，因为你只能在典型的台式机或笔记本电脑上做这么多事情,鲍尔说。. “用一台超级计算机, 你可以超越个人设备的限制, 因为它可以将计算能力乘以5. 你也可以将多台机器的能力组合成我们所说的“超级计算集群”,都用于一个项目. 在我们的Bose集群中，我们有60台机器可供使用.”

鲍尔说，这不仅仅是计算能力的指数级增长, 但高性能计算集群中的60台机器是独立运行的, 所以没有人需要像鲍尔所说的那样“观察过程”, 因为一台典型的计算机不能简单地连续运行.

“去年, 我们的估计显示所有用户都是如此, HPC集群总共节省了12年的时间 不 花在手动运行程序上，”鲍尔说. “这是全天候的系统运行. 如果我们把它分成正常的工作时间 ... 这样就节省了很多时间.”  

HPC系统的另一个巨大好处是，任何学生或教师都可以通过他们自己的个人或办公室/实验室计算机使用集群.

“我们有一个名为‘Open OnDemand’的新系统，任何人都可以使用他们的校园证书登录HPC程序——除了访问网络浏览器外，不需要特别下载,鲍尔说。. “这真的会增加校园里更多人的可及性.”

校园HPC使用量呈指数级增长

Bhattacharyay说，高性能计算集群的总体使用正在迅速扩大.   

“除了许多师生合作的计算研究之外, 常规课堂使用也在进行中, 让更多的学生掌握这种高性能的技术,巴塔查里耶说.

以下是目前通过HPC进行的一些研究的样本:

• 设计用于图像分类的优化深度学习算法(计算机科学).
• 电子激发分子计算性质的测试和改进(化学和生物化学).
• 基于深度学习的高分辨率低空无人机影像植被制图(地理和人类学).
• 锂离子电池电极材料的计算机模拟(材料科学与生物医学工程).
• 恒星结构与演化的计算天体物理学研究(物理).
• 从局部到全局:了解植物进化的模式和过程(生物学).
• COVID-19研究:氧化还原化学在病毒蛋白与细胞表面受体结合中的作用(化学与生物化学).

巴塔查里耶是生物物理化学研究的导师，该研究最近为卡特拉·利文斯和一大研究团队发表了论文.

他说:“Blugold超级计算机使许多原本不可能完成的项目成为可能。.

“例如, 2021年秋季, 一个澳门葡京网赌送彩金COVID-19变体的生物物理化学课程项目涉及25名本科生使用Blugold超级计算机进行的研究工作. 他们研究了SARS-CoV-2变体α、β、γ、δ、kappa、eta和omicron.” 

利文斯是研究delta变异的小组成员之一, 这些学生随后在全国本科生研究会议(NCUR)上率先提出了这项研究。. 今年8月，他们的研究结果发表在一篇文章中 同行评议的已发表文章 发表在蛋白质杂志上.

另外, 大量的本科生, 大约1,每年有400名学生上100级的化学课程, 使用高性能计算集群学习量子化学的工具来研究化学. 

最充分利用校园高性能计算集群的一位教员是马, 谁曾与28名学生合作过各种项目, 包括锂硫电池, 用于储能的有机硫化物和新型固态电解质材料.

“设计新材料需要复杂的计算模型，甚至超过最强大的台式电脑的能力,妈妈说. “我和我的学生经常同时使用数百个CPU(中央处理器)内核进行计算, 而一台典型的台式电脑大约有10个CPU内核.”

为了正确看待这些数字, 马说, 一台典型的台式电脑可以提供87,如果一整年不间断地跑步，则需要600个核心小时. 在高性能计算系统上，马和他的学生在大约三天内达到了这个数字. 高性能计算系统不仅大大加快了他们寻找新材料的速度, 但也使得研究更大的系统成为可能.

超级计算机的新课堂领域

今年秋季学期，HPC功能首次在常规课堂上全面整合，并增加了一门新的数据科学课程. 西尔维亚娜·紫水晶，数学副教授. 紫水晶设计了一个新的课程, 数据科学150, 学生们将在整个课程中使用超级计算机技术.

在另一所大学教数据科学, 我发现，对使用安装软件运行程序的学生的技术支持投入了太多的精力,紫水晶说.

“当我在这里开发一门数据课程时, 我对统一的计算环境很感兴趣, 无需担心Mac和Windows用户之间的差异, 每个人都使用同一个Python解释器,她说。. 这正是Blugold高性能计算集群所提供的, 现在我可以专注于教授数据科学，而不是故障排除技术.”

Amethyst还表示，也许与课程内容同样重要的是这些学生将接受的超级计算培训.

“我所做的部分工作是通过向学生介绍这些行业标准工具，为他们未来在计算机世界的研究做准备,紫水晶说.

Amethyst提到的这些工具正是现在所有Blugolds都可以通过OnDemand特性访问的工具，Bauer和其他LTS员工已经在HPC集群中部署了这些工具. 汤姆苏尔寿公司, LTS的一位信息技术项目经理指出, 不仅仅是Blugold的学生对这些工具有所了解.

“我们在夏天为参加威斯康星大学欧克莱尔分校向上发展项目的地区高中生提供了入门培训,苏尔泽说. “向上跳跃”, 以及去年夏天成功推出的本科生研究经验(REU)计划, 我们能够为学生提供高性能计算资源，这些学生在过去通常无法获得这些资源.”

Bauer期待通过额外的课程，如Amethyst和Ma的课程，在Blugold高性能计算中心的使用中看到更多的增长, 化学核心课程和合作研究. 他还希望所有学生都知道，任何人都可以在该系统上进行培训，并考虑如何将大型计算机系统的功能融入到自己的研究或既定STEM项目之外的兴趣中.

“如果有人感兴趣的话, 就是澳门葡京网赌送彩金学习超级计算的一般内容, 我们很乐意向人们展示什么是可能的,鲍尔说。. “我们可以谈论我们参与过的所有不同类型的研究项目, 我们参与的不同项目或拓展机会只是让人们开始.

“威斯康星大学克莱尔分校拥有这种惊人的资源——我们希望每个人都能知道它能做什么，它是独一无二的.” 

鲍尔建议，有兴趣了解更多澳门葡京网赌送彩金威斯康星大学欧克莱尔分校超级计算能力的学生或教职员工，以及他们如何推进或加强研究项目或课程材料，应该访问 HPC的网站，到位于斯科菲尔德大厅103室的高性能计算中心办公室或发送电子邮件 BGSC.ADMINS@hannamotorsports.com.