发展历程

安腾（Anton）是一款由位于纽约的D. E. Shaw Research设计并制造的大规模并行超级计算机，于2007年发布，自2008年开始运行。这款超级计算机是专门为蛋白质和其他生物大分子的分子动力学（MD）模拟打造的特殊用途系统。

一直以来，分子动力学模拟方法始终都因为严重的计算效率瓶颈，导致无法产业化应用。人体内典型的大分子蛋白质往往由几十万到上百万个原子构成，假设用分子动力学模拟方法计算一个50万原子的蛋白质运动0.001秒的“影片”，哪怕用上1000颗主流CPU并行计算，都需要耗费超过100年的时间。在这样的背景下，D. E. Shaw Research设计并研发出专门加速分子动力学算法的专用超级计算机——安腾超级计算机。^[1]

在2013年和2021年，D. E. Shaw Research分别发布了安腾（Anton）超级计算机的第2代和第3代的产品。数据显示，最新的安腾超算执行分子动力学模拟的速度比现有通用超级计算机快1000倍以上。

目前，世界上仅有的几台安腾（Anton）超级计算机分别安置在匹兹堡超算中心和位于纽约市的D. E. Shaw研究所中。安腾（Anton）超级计算机的上机时间根据提交给美国国家科学院独立专家委员会的研究提案分配，只接受美国学术机构的使用申请，严格禁止中国等其他国家使用。

安腾（Anton）超级计算机的名字来源于有着为“显微镜之父“之称的安东·范·列文虎克（Anton van Leeuwenhoek），因为他制作了高精度光学仪器，并首次利用这些仪器观察到各种各样的生物体和细胞类型。^[2]

技术架构

安腾超级计算机是一台特殊设计的、功能单一的专用超级计算机，它的目的只有一个：令分子动力学模拟运算得更快。在硬件上，它的芯片、主板、布线都由D. E. Shaw研究所特殊设计。通过特殊设计的专用芯片，尽可能减少数据的传输和运算，在芯片上分区域、分精度计算不同任务，突破制约分子模拟速度的瓶颈——原子间相互作用力的计算。与硬件相匹配的是软件，D. E. Shaw研究所也专门设计了适配Anton的动力学模拟软件Desmond。

定制化硬件核心

深度定制ASIC芯片：超算安腾的核心是深度定制的专用集成电路（ASIC）芯片，专为分子动力学模拟中的关键计算任务（如牛顿力学方程求解）量身打造。这种芯片在设计上追求低功耗、高效率与高计算密度，通过剔除通用计算中不必要的功能模块，实现了对分子动力学模拟任务的极致优化。安腾超级计算机的核心优势就在于其使用的512个MD专用ASIC芯片。这些芯片经过深度定制，具有针对性强的指令集架构（ISA），能够精确执行分子动力学模拟（MD）中最耗时和最频繁的计算任务，如分子间的长程和短程相互作用力的计算，为这些关键计算步骤提供硬件算法层面的性能优化，例如快速傅里叶变换（FFT）等算法。

高效能计算单元阵列：ASIC芯片内部集成有大量计算单元，这些单元分别负责处理一个或多个原子的运动状态。通过大规模并行处理，安腾超级计算机第三代(Anton3)能够同时模拟数百万乃至数千万个原子之间的相互作用，显著加速模拟进程。

第三代安腾超级计算机的晶片管芯布局

图片来源：D.E.Shaw Research

专用网络设计

新型专用网络：安腾超级计算机第三代(Anton3)配备了全新的专用网络组件，作为ASIC芯片的一部分，该网络专为分子动力学模拟场景设计。通过架构优化，它实现了极低的节点间通信延迟，支持细粒度消息的高效计算与通信重叠，确保大规模并行计算中的数据同步与协同工作。整个超算安腾的服务器都被紧密地摆放在一个正方体的机箱中，这样的好处在于节点之间依靠网络互联，紧密排列使得网络的传输距离大大降低，可靠性和速度大大提升，所以速度有了很大的提升。为了进一步提高计算效率，安腾超级计算机采用了低延迟、高带宽的网络结构，不仅在单个ASIC芯片内部实现了快速通信，还在不同ASIC芯片之间也建立起了高效的互联网络。这个网络特别支持常见的MD通信模式，比如多播和稀疏数据结构的压缩传输，同时也支持协调式的“推送”式通信方式，即生产者主动将结果发送给消费者，无需消费者预先请求数据。

ASIC芯片通过高速通道直接连接，形成三维拓扑结构 图片来源：D.E.Shaw Research

专用引擎：系统中还配备了一系列独立的直接内存访问（DMA）引擎，用于卸载计算单元的通信任务，使得通信和计算过程能更紧密地重叠执行，从而最大程度减少等待时间。

优化的内存与通信系统

内存子系统：安腾采用精心设计的内存层次结构与高速互连网络，有效降低了数据访问延迟，确保计算单元能够迅速获取并更新分子结构与力场数据，从而保持高计算吞吐量。

并行计算架构

大规模并行化：安腾采用包含数千个计算节点的分布式架构，每个节点内集成多颗ASIC芯片。节点间通过高性能、低延迟的网络互联，支持大规模并行计算密集型任务的数据交换与协同计算，实现对大规模分子动力学模拟的有效并行化处理。

配套软件支持

• 一体化软件栈：安腾配备了一整套专门的软件工具链，包括编译器、运行时系统和专用的分子动力学模拟软件。这套软件栈紧密贴合Anton 3的硬件特性，简化了编程模型，提升了代码执行效率，并为用户提供了一个友好直观的编程接口。
• 应用特定的压缩技术：安腾采用创新的应用特定压缩技术，减少节点间消息传输大小，提高有效带宽。
• 硬件同步原语：新增网络栅栏这一硬件同步原语，支持并行MD应用中数据流的快速细粒度同步。^[3]

设计与验证工具

Cascade仿真基础设施：安腾设计与验证过程中使用了基于周期的C++仿真工具Cascade，提供轻量级编程接口、丰富的调试支持、与Verilog的紧密集成、快速多线程执行和低内存开销，对于模拟Anton这样的大规模并行特殊用途机器至关重要。

软件开发与验证

复杂软件开发与验证流程：安腾技术架构依赖于复杂的软件开发与验证过程，包括使用层次化的RTL、架构和数值模拟验证计算结果有效性，以及开发嵌入式软件（运行在Anton ASIC上）。^[4]

所获奖项

安腾（Anton）超级计算机执行分子动力学（MD）模拟的速度比当时最快的通用超级计算机快100倍，其非凡的性能及其对科学和制药研究的重要贡献使其两度获得高性能计算领域的最高荣誉Gordon Bell奖。^[5]

应用案例

与Frontier、神威·太湖之光这类通用型超级计算机不同，安腾超级计算机只专注于分子动力学模拟计算，并据此进行了底层技术架构的特殊设计。这种专业化的聚焦使得超算安腾在生命科学研究和生物制药研发领域展现出显著优势。

美国AI制药公司Relay Therapeutics在超算安腾的算力支撑下，仅用了1年半、1亿美金，就确定了高选择性FGFR2抑制剂药物RLY-4008的结构，这款药物目前正在通过美国FDA临床二期，有望成为历史上最快从实验室走向市场的创新药之一。Relay在RLY-4008和其它几条管线上展现出的临床前研发效率，打破了长期统治制药圈的“双十”魔咒，即一款创新药从实验室走向市场至少需要10年、10亿美金以上的投入。^[6]

D. E. Shaw研究所更是陆续围绕新冠病毒公布了超过1000微秒的MD模拟结果，对新冠病毒的病理研究和药物研发起到了非常重大的作用。2020年3月27日，D. E. Shaw研究所公布了新冠病毒3CL蛋白酶的长达100微秒的MD模拟动画及数据，3CL蛋白酶被认为在病毒增殖和组装中发挥了重要作用，并且是新冠药物开发的热门靶点之一。^[7]

由于安腾超级计算机（Anton）专注于分子动力学模拟，主要应用于生物计算、特别是药物发现等领域，其应用相对狭窄，存在一定的局限性。^[7]

关于DESRES

实验室概况

• 成立与定位：DESRES（D.E.Shaw Research）由David E. Shaw教授于2002年创立，是一家位于纽约的独立研究实验室。
• 研究方向：专注于计算生物化学领域，利用先进计算技术深入理解生物和药物重要分子在原子级别的行为，旨在设计精准靶向、高选择性药物以治疗各类疾病。

核心技术

安腾超级计算机：DESRES核心技术之一是其专有的特殊用途超级计算机安腾（Anton），专为大幅加速分子动力学模拟而设计与构建。

研发进展

• Kv1.3靶向治疗：DESRES在该领域取得显著成果，开发出口服离子通道蛋白Kv1.3高选择性小分子抑制剂DES-7114。
• 临床试验与合作：DES-7114已完成健康志愿者P-I临床试验，表现出临床前模型中的疗效。DESRES与礼来公司签订全球独家许可协议，推进DES-7114的开发和商业化。

商业模式

以与Relay的合作模式为例

2016年，DESRES通过旗下子公司Picularium对刚刚成立不久的美国制药公司Relay Therapeutics进行了股权投资，上市前持有其4.91%的股份，形成了实质性的资本关联。

DESRES与Relay建立了独家战略合作伙伴关系，签署了名为《合作协议与许可协议》（简称DESRES协议）。协议约定，双方将合力进行特定靶点化合物的研发与商业化。双方科学家需要在每一个项目上合作，充分利用 DESRES的计算建模技术，尤其是通过安腾超级计算机来研究蛋白质的动态行为，特别聚焦在药物发现阶段提出动态基础假设和识别先导化合物。

2020年6月，双方修订并重述DESRES协议，延长合作期限，明确Relay将持续利用DESRES的计算建模能力进行特定生物靶点的研究。在 DESRES完成计算模型后，双方共同命名候选化合物，即双方共同拥有IP，但无论 DESRES是否有共同所有权，都不参与相关化合物的后续临床试验和潜在的商业化运作，这部分工作由Relay全权负责。虽然不参与商业化运作，但DESRES仍旧可以获得多元化的经济回报，包括：

• 年度支付：2020-2025年期间，每年8月Relay需要向DESRES支付790万美元的合作费用
• 基于产品支付：
• 研发里程碑：在研发相关化合物达到某一里程碑时，需支付费用。例如前三个靶点，每个靶点中的每个产品需要最多支付725万美金用；对于之后的靶点对应的产品，需要最多支付625万美金
• 排他性分成（Loyalty分成）：例如根据Category 1产品的全球净销售额，按照低单位数比例支付排他性分成，分成计算以产品和销售国家为单位，最高总额不超过3600万美元
• 转让授权分成：例如，如果Relay转让或授权Category 1 相关药品的研发和销售权，将会根据转让时的研发进展，按比例支付DESRES 费用。^[8]

以与礼来公司合作模式为例

在2022年6月，DESRES与礼来公司就Kv1.3靶向治疗药物达成全球独家许可协议。根据协议条款，礼来获得包括DES-7114在内的Kv1.3靶向药物在全球范围内的临床开发与商业化授权，向DESRES支付了6000万美元的首付款、4.75亿美元里程金和销售版税。

团队构成及优势

多元化团队

由Shaw博士领导的跨学科研究团队汇集了物理学家、化学家、生物学家、计算机科学家、工程师等多领域专家，专注于开发尖端计算技术以推进生命科学领域的基础研究。

只招聘顶级人才

来源：知乎网友讨论

提供极具竞争力的薪资

DESRES团队提供给职员富有竞争力的薪资，如相似职务（ASIC Design Engineer Salaries），DESRES提供年薪$230000，而其他公司提供$74000-$102000。

图源：D.E.Shaw Research

创始人David E. Shaw介绍

个人背景与学术经历

• 出生与教育：David E. Shaw，犹太裔美国人，1951年出生，本科毕业于加州圣地亚哥分校，1980年在斯坦福大学获得计算机博士学位。
• 学术生涯：在斯坦福期间，恰逢硅谷计算机革命初期，与众多IT公司创始人共处。毕业后赴哥伦比亚大学计算机系任教，从事基于Non-Von超级电脑的超大规模并行计算研究。
• 个人头衔：安腾计算机（Anton）的发明者；美国量化之王；奥巴马前科技顾问；美国院士；金融巨头。

金融从业经历

• 投身华尔街：1986年离开哥大，加入摩根斯坦利，负责运用计算机技术进行自动投资。
• 创建对冲基金：1988年，筹集2800万美元，成立D.E. Shaw & Co对冲基金，以高频统计套利为主营业务，利用高速计算机网络捕捉市场瞬间有效性缺陷，成为高频交易领域的先驱。
• 成就：D.E. Shaw & Co被誉为“亿万富翁摇篮”。2022年实习生阵容多元化且精英荟萃，实习生包括多名奥数冠军等，公司管理360亿美元资产，对冲基金全球排名前20。David E. Shaw本人被誉为“量化投资之王”，个人资产约41亿美元。

科研兴趣与转型

• 兴趣触发：对金融投资的兴趣逐渐转向解决理论科研问题，受哥大计算化学教授Rich Friesner的困扰启发，开始研究如何用计算机技术解决计算化学难题。
• 初心与愿景：临近50岁时，决定余生致力于通过加速生物大分子模拟推动药物研发，以期对基础科学和重大疾病治疗（如癌症）产生深远影响。

创立D.E.Shaw Research,带头研发安腾超级计算机

• 团队组建：高薪招募顶尖理工博士，开出远高于常规研究岗位的薪酬（约10万美元/年），组建约30人的技术团队。
• 项目启动与突破：2007年，团队发布第一代安腾计算机，成功攻克此前因成本高昂无人问津的计算化学领域最大挑战。
• 技术创新与影响力：安腾计算机系列（目前发展至第三代Anton 3）在分子动力学模拟方面展现出显著优势，执行速度远超英伟达A100显卡（快100倍以上）和通用超级计算机（快1000倍以上），确立美国在生物计算和制药领域的长期霸权。

发表论文（2022-2024）

1. Discovery and Clinical Proof-of-Concept of RLY-2608, a First-in-Class Mutant-Selective Allosteric PI3Kα Inhibitor That Decouples Antitumor Activity from Hyperinsulinemia
2. Discovery of lirafugratinib (RLY-4008), a highly selective irreversible small-molecule inhibitor of FGFR2
3. Functional dynamics and allosteric modulation of TRPA1
4. RLY-4008, the First Highly Selective FGFR2 Inhibitor with Activity across FGFR2 Alterations and Resistance Mutations
5. A Conserved Local Structural Motif Controls the Kinetics of PTP1B Catalysis
6. Desensitization dynamics of the AMPA receptor
7. Discovery and Validation of the Binding Poses of Allosteric Fragment Hits to Protein Tyrosine Phosphatase 1b: From Molecular Dynamics Simulations to X-ray Crystallography
8. Structural Mechanism of a Drug-Binding Process Involving a Large Conformational Change of the Protein Target
9. Gating and Modulation of an Inward-Rectifier Potassium Channel
10. Characterizing Receptor Flexibility to Predict Mutations That Lead to Human Adaptation of Influenza Hemagglutinin
11. Development of Force Field Parameters for the Simulation of Single- and Double-Stranded DNA Molecules and DNA-Protein Complexes
12. The Specialized High-Performance Network on Anton 3
13. Ensemble Cryo-Electron Microscopy Reveals Conformational States of the nsp13 Helicase in the SARS-CoV-2 Helicase Replication-Transcription Complex
14. Targetable HER3 Functions Driving Tumorigenic Signaling in HER2-Amplified Cancers
15. How Does a Small Molecule Bind at a Cryptic Binding Site?
16. Molecular Basis ofSmall-Molecule Binding to α-synuclein

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8. D. E. Shaw & Co.

参考资料

【3】The Specialized High-Performance Network on Anton 3

【4】Anton:A Specialized ASIC for Molecular Dynamics.

【5】重磅！中国团队“百亿亿级超算模拟量子”斩获2021年戈登贝尔奖 另有两项获提名

【6】以显微镜之父命名的超算安腾，颠覆了6次获得诺奖的显微镜技术？

【7】Anton 2 at PSC for Coronavirus Binding Simulation, COVID-19 Test Development