Maximizing resource usage in multifold molecular dynamics with rCUDA

[EN] The full-understanding of the dynamics of molecular systems at the atomic scale is of great relevance in the fields of chemistry, physics, materials science, and drug discovery just to name a few. Molecular dynamics (MD) is a widely used computer tool for simulating the dynamical behavior of molecules. However, the computational horsepower required by MD simulations is too high to obtain conclusive results in real-world scenarios. This is mainly motivated by two factors: (1) the long execution time required by each MD simulation (usually in the nanoseconds and microseconds scale, and beyond) and (2) the large number of simulations required in drug discovery to study the interactions between a large library of compounds and a given protein target. To deal with the former, graphics processing units (GPUs) have come up into the scene. The latter has been traditionally approached by launching large amounts of simulations in computing clusters that may contain several GPUs on each node. However, GPUs are targeted as a single node that only runs one MD instance at a time, which translates into low GPU occupancy ratios and therefore low throughput. In this work, we propose a strategy to increase the overall throughput of MD simulations by increasing the GPU occupancy through virtualized GPUs. We use the remote CUDA (rCUDA) middleware as a tool to decouple GPUs from CPUs, and thus enabling multi-tenancy of the virtual GPUs. As a working test in the drug discovery field, we studied the binding process of a novel flavonol to DNA with the GROningen MAchine for Chemical Simulations (GROMACS) MD package. Our results show that the use of rCUDA provides with a 1.21x speed-up factor compared to the CUDA counterpart version while requiring a similar power budget.The author(s) disclosed receipt of the following financial support for the research, authorship, and/or publication of this article: This work was jointly supported by the Fundación Séneca (Agencia Regional de Ciencia y Tecnología, Región de Murcia) under grants (20524/PDC/18, 20813/PI/ 18, and 20988/PI/18) and by the Spanish MEC and Eur-opean Commission FEDER under grants TIN2015-66972-C5-3-R, TIN2016-78799-P, and CTQ2017-87974-R (AEI/FEDER, UE). Researchers from the Universitat Politècnica de València are supported by the Generalitat Valenciana under grant PROMETEO/2017/077.Prades, J.; Imbernon, B.; Reaño González, C.; Peña-García, J.; Cerón-Carrasco, JP.; Silla Jiménez, F.; Pérez-Sánchez, H. (2020). Maximizing resource usage in multifold molecular dynamics with rCUDA. International Journal of High Performance Computing Applications. 34(1):5-19. https://doi.org/10.1177/1094342019857131S519341Abraham, M. J., Murtola, T., Schulz, R., Páll, S., Smith, J. C., Hess, B., & Lindahl, E. (2015). GROMACS: High performance molecular simulations through multi-level parallelism from laptops to supercomputers. SoftwareX, 1-2, 19-25. doi:10.1016/j.softx.2015.06.001Banegas-Luna, A. J., Imbernón, B., Llanes Castro, A., Pérez-Garrido, A., Cerón-Carrasco, J. P., Gesing, S., … Pérez-Sánchez, H. (2018). Advances in distributed computing with modern drug discovery. Expert Opinion on Drug Discovery, 14(1), 9-22. doi:10.1080/17460441.2019.1552936Case, D. A., Cheatham, T. E., Darden, T., Gohlke, H., Luo, R., Merz, K. M., … Woods, R. J. (2005). The Amber biomolecular simulation programs. Journal of Computational Chemistry, 26(16), 1668-1688. doi:10.1002/jcc.20290Csermely, P., Korcsmáros, T., Kiss, H. J. M., London, G., & Nussinov, R. (2013). Structure and dynamics of molecular networks: A novel paradigm of drug discovery. Pharmacology & Therapeutics, 138(3), 333-408. doi:10.1016/j.pharmthera.2013.01.016Franco, A. A. (2013). Multiscale modelling and numerical simulation of rechargeable lithium ion batteries: concepts, methods and challenges. RSC Advances, 3(32), 13027. doi:10.1039/c3ra23502eFrisch MJ, Trucks GW, Schlegel HB, et al. (2016) Gaussian 16 Revision A.03. Wallingford, CT: Gaussian. Inc.Halder, D., & Purkayastha, P. (2018). A flavonol that acts as a potential DNA minor groove binder as also an efficient G-quadruplex loop binder. Journal of Molecular Liquids, 265, 69-76. doi:10.1016/j.molliq.2018.05.117Hess, B., Kutzner, C., van der Spoel, D., & Lindahl, E. (2008). GROMACS 4:  Algorithms for Highly Efficient, Load-Balanced, and Scalable Molecular Simulation. Journal of Chemical Theory and Computation, 4(3), 435-447. doi:10.1021/ct700301qHornak, V., Abel, R., Okur, A., Strockbine, B., Roitberg, A., & Simmerling, C. (2006). Comparison of multiple Amber force fields and development of improved protein backbone parameters. Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics, 65(3), 712-725. doi:10.1002/prot.21123Imbernón, B., Cecilia, J. M., Pérez-Sánchez, H., & Giménez, D. (2017). METADOCK: A parallel metaheuristic schema for virtual screening methods. The International Journal of High Performance Computing Applications, 32(6), 789-803. doi:10.1177/1094342017697471Iserte, S., Prades, J., Reano, C., & Silla, F. (2016). Increasing the Performance of Data Centers by Combining Remote GPU Virtualization with Slurm. 2016 16th IEEE/ACM International Symposium on Cluster, Cloud and Grid Computing (CCGrid). doi:10.1109/ccgrid.2016.26Bentham Science Publisher, B. S. P. (2006). Scoring Functions for Protein-Ligand Docking. Current Protein & Peptide Science, 7(5), 407-420. doi:10.2174/138920306778559395Jorgensen, W. L., Chandrasekhar, J., Madura, J. D., Impey, R. W., & Klein, M. L. (1983). Comparison of simple potential functions for simulating liquid water. The Journal of Chemical Physics, 79(2), 926-935. doi:10.1063/1.445869Kitchen, D. B., Decornez, H., Furr, J. R., & Bajorath, J. (2004). Docking and scoring in virtual screening for drug discovery: methods and applications. Nature Reviews Drug Discovery, 3(11), 935-949. doi:10.1038/nrd1549Lagarde, N., Zagury, J.-F., & Montes, M. (2015). Benchmarking Data Sets for the Evaluation of Virtual Ligand Screening Methods: Review and Perspectives. Journal of Chemical Information and Modeling, 55(7), 1297-1307. doi:10.1021/acs.jcim.5b00090Noroozi, M., Angerson, W. J., & Lean, M. E. (1998). Effects of flavonoids and vitamin C on oxidative DNA damage to human lymphocytes. The American Journal of Clinical Nutrition, 67(6), 1210-1218. doi:10.1093/ajcn/67.6.1210Patra, M., Hyvönen, M. T., Falck, E., Sabouri-Ghomi, M., Vattulainen, I., & Karttunen, M. (2007). Long-range interactions and parallel scalability in molecular simulations. Computer Physics Communications, 176(1), 14-22. doi:10.1016/j.cpc.2006.07.017Pezeshgi Modarres, H., Dorokhov, B. D., Popov, V. O., Ravin, N. V., Skryabin, K. G., & Dal Peraro, M. (2015). Understanding and Engineering Thermostability in DNA Ligase from Thermococcus sp. 1519. Biochemistry, 54(19), 3076-3085. doi:10.1021/bi501227bPhillips, J. C., Braun, R., Wang, W., Gumbart, J., Tajkhorshid, E., Villa, E., … Schulten, K. (2005). Scalable molecular dynamics with NAMD. Journal of Computational Chemistry, 26(16), 1781-1802. doi:10.1002/jcc.20289Prades, J., Reaño, C., Silla, F., Imbernón, B., Pérez-Sánchez, H., & Cecilia, J. M. (2018). Increasing Molecular Dynamics Simulations Throughput by Virtualizing Remote GPUs with rCUDA. Proceedings of the 47th International Conference on Parallel Processing Companion - ICPP ’18. doi:10.1145/3229710.3229734Pronk, S., Páll, S., Schulz, R., Larsson, P., Bjelkmar, P., Apostolov, R., … Lindahl, E. (2013). GROMACS 4.5: a high-throughput and highly parallel open source molecular simulation toolkit. Bioinformatics, 29(7), 845-854. doi:10.1093/bioinformatics/btt055Reano, C., & Silla, F. (2015). A Performance Comparison of CUDA Remote GPU Virtualization Frameworks. 2015 IEEE International Conference on Cluster Computing. doi:10.1109/cluster.2015.76Reaño, C., Silla, F., Shainer, G., & Schultz, S. (2015). Local and Remote GPUs Perform Similar with EDR 100G InfiniBand. Proceedings of the Industrial Track of the 16th International Middleware Conference on ZZZ - Middleware Industry ’15. doi:10.1145/2830013.2830015Sánchez-Linares, I., Pérez-Sánchez, H., Cecilia, J. M., & García, J. M. (2012). High-Throughput parallel blind Virtual Screening using BINDSURF. BMC Bioinformatics, 13(Suppl 14), S13. doi:10.1186/1471-2105-13-s14-s13Shaw, D. E., Maragakis, P., Lindorff-Larsen, K., Piana, S., Dror, R. O., Eastwood, M. P., … Wriggers, W. (2010). Atomic-Level Characterization of the Structural Dynamics of Proteins. Science, 330(6002), 341-346. doi:10.1126/science.1187409Yoo, A. B., Jette, M. A., & Grondona, M. (2003). SLURM: Simple Linux Utility for Resource Management. Lecture Notes in Computer Science, 44-60. doi:10.1007/10968987_

Libro de Abstracts | VIII Jornadas de Investigación y Doctorado: “Ética en la Investigación Científica”

El objetivo de estas Jornadas es promover el intercambio científico entre estudiantes de doctorado, fomentando la participación, el debate y la discusión, de aspectos científicos tan importantes como la ética de la investigación. Para poner en valor el papel de los doctores en la sociedad, no podemos pasar por alto las competencias transversales que estos deben adquirir en su formación como doctores. Si bien la ética es algo fundamental en todas las facetas de la vida, en el caso de los investigadores cobra especial relevancia, ya que son generadores de conocimiento sobre el que se asentarán futuros desarrollos y políticas de interés para toda la sociedad. Por lo tanto, con el fin de incrementar la proyección social de las investigaciones llevadas a cabo y la proyección profesional de los doctores, es importante incidir en su formación ética. La base de la investigación académica está construida sobre la confianza. Los investigadores confían en que los resultados informados por otros son veraces. La sociedad confía en que los resultados de la investigación reflejan un intento honesto por parte de los científicos de describir el mundo de forma precisa. Pero esta confianza sólo perdurará si la comunidad científica transmite los valores asociados a la conducta de la ética de investigación. Por este motivo, la Universidad juega un papel muy importante en la formación de los doctores en cuestiones éticas que son inherentes al método científico y a la generación de conocimiento. Dentro de las universidades, las Escuelas Internacionales de Doctorado, con nuestros recursos, aptitudes y espacio de influencia, nos convertimos en actores clave para promover actitudes éticas entre los doctorandos, y estas Jornadas son una oportunidad muy valiosa para tratar este tema. Las ramas de conocimiento que se incluyen para estas Jornadas son las derivadas de los programas de doctorado de la EIDUCAM: -Ciencias de la Salud -Tecnologías de la Computación e Ingeniería Ambiental -Ciencias Sociales -Ciencias del DeporteActividad Física y DeporteAdministración y Dirección de EmpresasAgricultura y VeterinariaArte y HumanidadesCiencias AmbientalesCiencias de la AlimentaciónCiencias de la ComunicaciónCiencias ReligiosasDerechoEducaciónEnfermeríaFarmaciaIdiomasIngeniería, Industria y ConstrucciónMedicinaOdontologíaPodologíaPsicologíaTerapia y RehabilitaciónTurism

Libro de Abstracts | VII Jornadas de Investigación y Doctorado: “ODS con Ciencia”

El objetivo de estas jornadas es poner en valor el grado de doctor ante la sociedad en general, así como ante el tejido empresarial en particular. Además, también pretendemos promover el intercambio científico entre estudiantes de doctorado, fomentando la participación, el debate y la discusión, tanto de aspectos científicos como de otros relacionados con la proyección social de las investigaciones llevadas a cabo y la proyección profesional de los doctores. Los doctorandos juegan un papel muy importante como portadores de innovación tanto hacia las empresas como a la sociedad en general, hecho que sin duda debe estar ligado a la implantación de los ODS. Las universidades, como agentes activos de cambio social que somos, tenemos un papel clave en la contribución al cumplimiento de los objetivos de desarrollo de la Agenda 2030. La formación, la investigación, la transferencia, la extensión y la gestión universitaria son campos en los que debemos trabajar la implantación de los ODS. La universidad, dada su naturaleza vinculada a la generación, transferencia y difusión de conocimiento al servicio de la sociedad, cuenta con las capacidades para realizar una contribución crítica y constructiva al desarrollo sostenible a través de dicho conocimiento. Dentro de las universidades, las Escuelas Internacionales de Doctorado, con nuestros recursos, aptitudes y espacio de influencia, nos convertimos en actores clave para promover este tipo de desarrollo humano. Nuestra responsabilidad en el ámbito de la educación, incorporando los prin- cipios y valores del desarrollo sostenible, inclusivo e igualitario, es indudable. Algunas de las responsabilidades de los doctorandos que formamos en cualquier rama de cono- cimiento son: la generación y transferencia de un conocimiento comprometido con los ODS; el fortalecimiento del vínculo de la universidad con otros agentes de la sociedad; o el compromiso de reportar informes acerca del impacto de su investigación, alineándolos con los ODS. Por ello el desarrollo de estas Jornadas contribuye a la difusión y conocimiento de los ODS.Actividad Física y DeporteAdministración y Dirección de EmpresasAgricultura y VeterinariaArte y HumanidadesCiencias AmbientalesCiencias de la AlimentaciónCiencias de la ComunicaciónCiencias ReligiosasDerechoEducaciónEnfermeríaFarmaciaIdiomasIngeniería, Industria y ConstrucciónMedicinaOdontologíaPodologíaPsicologíaTerapia y RehabilitaciónTurism