Microservers: Hjälpa låsa kroppens hemligheter medan slå datacenter utbredning

Inuti varje mänsklig cell är små proteinfabriker spottar ut molekyler som är avgörande för vår överlevnad. Bättre förstå dessa biologiska replikatorer, så kallade ribosomer, kan bidra till att utveckla nya läkemedel. Men att få en ordentlig titt på ribosomer är svårt, eftersom de mäter bara tiotals nanometer i diameter.

Att bygga en tydlig snapshot

Datacenter, IBM lanserar nya Linux, Power8, OpenPower system, Cloud, Michael Dell på balans EMC affären: “Vi kan tänka på årtionden, datacenter, Delta sätter prislapp på system strömavbrott: $ 150 miljoner före skatt inkomst, datacenter, Dell Technologies lyfter: Här är vad man ska titta på när Dell, EMC, en uppsjö av företag företag kombinerar

Ribosomer “lilla storlek innebär att de måste avbildas med ett elektronmikroskop, som sonderar objekt med en elektronstråle. Elektronmikroskop kan lösa stora mängder av detaljer, och är i stånd att förstora föremål upp till 10.000.000 gånger jämfört med 2000 gångers förstoring för ljusbaserad apparat.

Olyckligtvis kan ribosomer endast motstå en relativt låg dos av elektroner innan de skadas av intensiteten hos strålen, vilket ytterligare komplicerar avbildningsprocessen. Den blygsamma dosen kan de bara uthärda ger bullriga, otydliga bilder.

“Även med detta elektronmikroskop kan man inte riktigt göra en skarp bild av dem”, säger Andreas Hauser som arbetade som vetenskapliga beräkningar expert på The Gene Center vid universitetet i München i Tyskland, som har studerat ribosomer i 10 år.

Individuellt bilder av ribosomer tagna av € 4m Cryo-elektronmikroskop används i München beskrivs som “mer som en skugga”.

Att bygga en tydlig snapshot, fångar centrum tiotusentals bilder av ribosomer som ses av mikroskopet. Var och en av dessa digitala bilder matas in i en dator, manipuleras och kombineras för att skapa en enda, tydligare sammansatt bild av ribosomen struktur. Eftersom elektronmikroskop fångar densiteten, liksom formen, av ribosomer, är det möjligt att bygga en 3D-modell.

Du får en bild med säga 80 ribosomer och du gör 10.000 av dessa bilder, var och en med 80 ribosomer, så det är 800.000 partiklar “, sade Hauser.” Du stämpla ut den del där ribosomerna är och du sluta med en miljon mycket små bilder , liksom 300-by-300 pixlar.

Var och en av dessa partiklar – bilder av enskilda ribosomer – inriktas sedan och kombineras till en enda modell.

Den resulterande modellen kan ge en inblick i grundläggande processer i livet, såsom genetiska instruktioner för att bygga proteiner som passerar in i ribosomen.

“Du kan titta inuti denna modell och du kan ibland se RNA går in och ut”, sade Hauser.

Gene Center har fotografering av ribosomer i 10 år och tidigare matas bilderna i grupper av servrar, vilket ger upp till 20 noder per kluster.

Som den utrustning som används för att fånga bilder, så kallade mikrofotografier, förbättrades dock så datorutrustning som behövs för att hålla jämna steg. Till exempel, högre upplösning avbildning ledde filstorlek micrographs att fyrdubbla och elektronmikroskop automatiserades för att fånga ögonblicksbilder dygnet runt.

Centret behövs för att uppgradera, men det hade lite utrymme för att passa nya ställningar och dess maxade ut kylning innebar det var inte möjligt att klämma bladservrar i befintliga rack.

“Servern rummet var redan ganska fullt och vi tänkte om hur man fyller den sista rackenhet,” sade Hauser.

Det var problematiskt eftersom vi tänkte att om vi går alltför tät våra energi- och kylbehov skulle vara alltför hög. Vår kylning gjordes inte mer än 10-12KW per rack. Om du går för dessa hög densitet blad kan du sluta med 20kW ibland – och du behöver vattenkylda ställningar, som vi inte har och inte hade planerat för.

Istället centrum valt att köpa två AMD SeaMicro SM10000 apparater, som ger täta kluster av servernoder med låg strömförbrukning förpackade i en 10RU (rackenhet) rutan.

Detta var en bra lösning med avseende på utrymme och energi. Du kan lätt passa tre av apparaterna i ett rack med 10-12KW kylning.

Detta var en bra lösning med avseende på utrymme och energi. Du kan lätt passa tre av apparaterna i ett rack med 10-12KW kylning, -. Andreas Hauser, The Gene Center, University of München

Hauser beräkningar använder Micro kluster gav samma processorkraft som bladet serverkluster på mellan en halv och en fjärdedel kylningskostnader.

Idag centrum använder två SM10000 och två SM15000 apparater. Dessa ger kluster av fyra-core Intel Xeon E3 och åtta-core AMD Opteron-processorer, för totalt 1.256 processorkärnor.

Bortom kylning och utrymme, apparaten bidrog också till att uppfylla centrets nätverk behov. Har tillräcklig bandbredd för att transferbilder till servernoder är viktigt, med varje bild som fångats av mikroskopet väger in på 4000-by-4000 pixlar. “Denna terabyte av bilddata kan orsaka en flaskhals få det till noden,” sade Hauser. “Med SeaMicro noder finns fyra kärnor och varje nod har en åtta-gigabit länk, så att du får två gigabit per kärna. Vanligtvis om du har en 16-core server, även om du sätter i en relativt dyra 10-gigabit-kort, du behöver inte ens få en gigabit per kärna.

Genomströmningen från apparater är tillräckligt att centrum kan undvika att spendera pengar på att investera i Infiniband höghastighets anslutningar, tillade Hauser.

Seger datacenter utbredning

Nya läkemedel och upptäckter

Nätverket kan lätt bli dyrare än alla dina datorhårdvara tillsammans. Om du går för Infiniband, är ett Infiniband-kort som 1500 € per nod. Då måste man köpa växeln och kablar – det är ganska hårda.

Varje server nod i ett SeaMicro apparat är en PC-server-kort som ansluter till servern bakplanet via PCI Express-anslutning. Sammankopplingen mellan korten är dubbad Freedom Fabric av SeaMicro och ger 1.28Tbps av aggregerad bandbredd. Varje SM15000 apparaten stöder upp till 16 10GbE eller upp till 64 1GbE externa upplänkar.

“Det är som en PCI-Express-nätverket som gör det möjligt för PCI-Express växling”, sade Hauser.

Kostnaden för varje SeaMicro apparat varierar beroende på konfiguration, men Hauser uppskattar det varierar från 65.000 € till 150.000 €, beroende på konfiguration. Jämfört med en blad inställning Hauser uppskattar de initiala kostnaderna är desamma “, men vi sparar på utrymme, energi och ovanpå det vi får nätverket gratis”.

Varje server nod i apparaterna har 32 GB RAM och 50-150GB diskutrymme, som används för att lagra en lokal kopia av bilder som bearbetas. SeaMicro apparater stöder upp till 64 HDD eller SSD-enheter.

Bearbetningsarbeten som behövs för att manipulera bilder som tagits med mikroskopet är lämpad för att hanteras av ett kluster av mindre kraftfulla servrar, eftersom det kan delas upp i mindre uppgifter och behandlas parallellt.

Det är bra om våra grejer är att det är lätt parallelisable, “sade Hauser.” Om du har en miljon partiklar och du dela upp dem i omgångar av 1000 det är ofta inte så stor sak.

De SeaMicro kluster kör Spider (system för behandling av bilddata från elektronmikroskopi och fält) programvara på toppen av en modifierad version av Linux.

Möjligheten att köra fler datornoder 24/7 hjälper forskare vid Gene Center, såsom Roland Beckmann, kombinera ett större antal enskilda bilder av ribosomer, kallad partiklar, i mer detaljerade och exakta modeller.

För fem år sedan de kanske används 100.000 till 200.000 partiklar. Vår institution var först med att använda cirka en miljon partiklar “, sade Hauser.” Med denna ökning av antalet partiklar som vi behövde en mycket mer beräkningskraft, men fler partiklar du använder desto bättre upplösning är. Vi är nu på fyra Ångström [en måttenhet som motsvarar en 10- miljarddels meter] och kan skilja mellan BLOB fyra atomer.

Att bygga dessa rika modeller är viktigt för att förstå mer om hur ribosomerna fungerar – kunskap som kan bidra till att utveckla läkemedel med färre biverkningar.

Vi vet inte hur dessa små protein robotar arbetar i våra celler och 3D-volymen av en ribosomen ger dig en inblick hur det är uppbyggt, “sade Hauser.” En applikation i cirka 10 års sikt kan vara att ett läkemedelsföretag utvecklar läkemedel att arbetet mot ribosomer av bakterier, men inte ribosomerna i cellerna.

Ju mer vi vet om hur ribosomen ser ut, desto lättare blir det att utforma läkemedel som endast påverkar bakterier.

IBM lanserar nya Linux, Power8, OpenPower system

Michael Dell på balans EMC affären: “Vi kan tänka på årtionden”

Delta sätter prislapp på system strömavbrott: $ 150 miljoner före skatt inkomst

Dell Technologies lyfter: Här är vad man ska titta på när Dell, EMC, en uppsjö av företag företag kombinerar