Forschungsbeschleunigung dank Cloud Computing

Forscher der ETH Zürich, das Start-Up Unternehmen CloudBroker und IBM Schweiz demonstrieren gemeinsam, wie Cloud Computing Spitzenforschung beschleunigen kann.

Das Experiment

In einer Simulation konnten Forscher des Institute of Molecular Systems Biology der ETH Zürich neue Erkenntnisse über die Struktur bestimmter Proteine von für den Menschen gefährlichen Streptokokken-Bakterien erzielen. Diese Erkenntnisse sind zum Beispiel wichtig für die Entwicklung neuer Antibiotika. Sie werden dringend benötigt für eine bessere Behandlung von oft lebensgefährlichen Erkrankungen durch multiresistente Bakterien.

Dank Cloud Computing konnte die zur Berechnung der dreidimensionalen Protein-Modelle benötigte Rechnerleistung schnell zur Verfügung gestellt werden. "Ohne Cloud Computing hätte dieses Experiment mehrere Monate gedauert. Nun bekamen wir die Ergebnisse innerhalb von nur zwei Wochen", erklärt ETH-Forscher Dr. Lars Malmström, der die entsprechenden Forschungsarbeiten leitet.

Für das Experiment unter der Schirmherrschaft des Systembiologie-Konsortiums SystemsX setzte das Team rund um Dr. Malmström auf die Open-Source Lösung Rosetta, eine Suite für die Berechnung und Vorhersage dreidimensionaler Proteinstrukturen. Das ETH Spin-Off CloudBroker war dafür verantwortlich, Software und Infrastruktur über ihre Plattform optimal zu verbinden und zu betreiben.

Enorme Rechenkapazität

IBM schliesslich stellte die nötigen Cloud Computing Ressourcen für das Experiment zur Verfügung. "Aus der IBM Smart Cloud Enterprise hatte das Team Zugriff auf nahezu 250'000 Stunden Rechenzeit auf insgesamt 1000 parallelen Prozessoren. Das war ein Supercomputer aus der Wolke, aufgesetzt und betriebsbereit innerhalb weniger Stunden", so Roland Reifler, der Projekt-Verantwortliche bei IBM Schweiz.

Diese enorme Rechenkapazität war nötig, da die Berechnung von dreidimensionalen Proteinstrukturen hoch komplex ist. So identifizierte das ETH-Team 249 für das Experiment vielversprechende Bakterien-Proteine. Für jedes dieser Proteine existieren zehntausende verschiedene mögliche Strukturen. Insgesamt berechnete die Rosetta-as-a-Service-Lösung circa 2,3 Millionen Modelle. Dazu musste die Plattform über 30'000 einzelne Rechenpakete verwalten und verteilen. "Das war eine enorme Herausforderung. Wir haben das intelligente Queueing- und Datenmanagement-System unserer CloudBroker Plattform dafür noch weiter ausgebaut", sagt Sudholt. Jetzt könne man anderen Instituten aber einen vollautomatischen Service zur Verfügung stellen, so Sudholt weiter.

Für die Forschung ergibt sich dadurch ein weiterer Vorteil. "Ergebnisse und Experimente lassen sich mit exakt den gleichen Einstellungen und Vorgaben wiederholen und überprüfen. Für effizientes wissenschaftliches Arbeiten ist das extrem wichtig", erklärt Malmström. Ausserdem bietet das Cloud Computing Modell für Forschungsinstitutionen die Möglichkeit, IT-Infrastruktur jeweils für bestimmte Experimente mit hohem Bedarf an Rechenleistung flexibel einzukaufen: Sie können Rechenkapazität bei Bedarf buchen und bekommen sie schnell zur Verfügung gestellt. So müssen die Forschenden sie nicht selber aufbauen oder unterhalten und können sich besser auf ihre Forschung konzentrieren.