美國多個部門啟動利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)推動抗癌研究項目

　　美國多個部門正啟動“用于癌癥的先進(jìn)計算解決方案聯(lián)合設(shè)計”(JDACS4C)項目，試圖利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)推動抗癌研究。國外媒體近期刊文，對這一項目進(jìn)行了介紹。

　　里克·史蒂芬斯(Rick Stevens)表示，到2017年第二季度，“用于癌癥的先進(jìn)計算解決方案聯(lián)合設(shè)計”(JDACS4C)的首批成果將會公布。他負(fù)責(zé)了JDACS4C三大試點項目之一。這些項目獲得了美國能源部的資助，試圖利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)去從事“抗癌戰(zhàn)爭”，不僅推動癌癥的研究和治療，還希望發(fā)展深度學(xué)習(xí)能力和基礎(chǔ)設(shè)施，推進(jìn)百億億次級計算機(jī)的應(yīng)用。

　　從各個方面來看，美國的抗癌戰(zhàn)爭和精準(zhǔn)醫(yī)療計劃(PMI)都有著遠(yuǎn)大目標(biāo)。以往的抗癌戰(zhàn)爭項目效果不是很好，但這并不意味著沒有取得任何成果。目前的前景看來更好。生物醫(yī)藥科學(xué)取得的進(jìn)展，以及下一代先進(jìn)計算機(jī)成為了強(qiáng)大的賦能設(shè)備。深度學(xué)習(xí)技術(shù)的興起推動了由數(shù)據(jù)驅(qū)動的科學(xué)，這也是許多人感到樂觀的原因。

　　JDACS4C的3個試點項目涵蓋了從分子學(xué)到人口學(xué)的研究，也是對“癌癥分布式學(xué)習(xí)環(huán)境”(CANDLE)的支持。這些項目的目標(biāo)是“提供關(guān)于可擴(kuò)展機(jī)器學(xué)習(xí)工具的研究信息;發(fā)展深度學(xué)習(xí)、模擬和分析技術(shù)，減少解決問題的時間;為未來計算解決方案的設(shè)計提供參考”。最終希望是“有效利用不斷增長、逐漸多樣化的癌癥相關(guān)數(shù)據(jù)，建立預(yù)測模型，提供對這種疾病更好的理解，為個人患者的治療結(jié)果提供指南，支持醫(yī)療決策，從而建立未來多年癌癥研究的新范式”。

　　這些目標(biāo)非常遠(yuǎn)大。不過，JDACS4C的起源有些復(fù)雜。這可以歸入PMI項目、美國癌癥研究所(NCI)的“癌癥登月”項目，同時又與美國戰(zhàn)略計算項目(NSCI)相適應(yīng)。史蒂芬斯表示，關(guān)于啟動JDACS4C的討論從幾年前開始，第一輪資金于今年8月開始投入。

　　以下是3大試點項目的簡介：

　　1.RAS分子項目。這一項目計劃開發(fā)新的計算方法，支持當(dāng)前RAS行動中已開展的研究。最終目標(biāo)是增強(qiáng)對癌癥中RAS基因及相關(guān)信號通道的理解，在RAS蛋白膜信號復(fù)合體中找到新的治療目標(biāo)。

　　2.臨床前篩查。這一項目將基于試驗性的生物數(shù)據(jù)開發(fā)“機(jī)器學(xué)習(xí)、大規(guī)模數(shù)據(jù)和預(yù)測模型”。思路是創(chuàng)建反饋循環(huán)，讓實驗?zāi)Ｐ椭笇?dǎo)計算模型的設(shè)計。這些預(yù)測模型可能指向癌癥中的新目標(biāo)，協(xié)助找到新的治療方式。

　　3.人口模型。這一項目計劃開發(fā)可擴(kuò)展的框架，有效地歸納、總結(jié)、分類癌癥病人的醫(yī)療記錄。這樣的引擎在醫(yī)療健康的多個方面，包括數(shù)據(jù)分發(fā)、成本控制和科研中，都非常強(qiáng)大。

　　JDACS4C需要多部門的參與。美國癌癥研究所的參與部門包括生物醫(yī)學(xué)信息和信息技術(shù)中心、癌癥治療和診斷部、癌癥控制和人群科學(xué)部，以及弗雷德里克癌癥研究國家實驗室。美國能源部的4所國家實驗室也參加了這一項目，包括阿爾貢國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室、勞倫斯-利佛莫國家實驗室，以及洛斯-阿拉莫斯國家實驗室。

　　史蒂芬斯表示，當(dāng)項目聚集在一起之后，“我們意識到，每個項目都需要深度學(xué)習(xí)技術(shù)，但有著不同的使用方法。因此這里的思路是，我們需要合作開發(fā)軟件環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及其他所需的一切，從而不會干重復(fù)勞動。”研究人員定義了關(guān)鍵指標(biāo)，以“解決與癌癥不同子問題相關(guān)的深度學(xué)習(xí)問題”。

　　最初的第一步是吸引供應(yīng)商的參與。史蒂芬斯表示，這并不難，因為所有的HPC(高性能PC)供應(yīng)商都制定了積極的深度學(xué)習(xí)發(fā)展路線圖。大部分廠商都認(rèn)為，JDACS4C試點項目是個學(xué)習(xí)和改進(jìn)的良機(jī)。目前，JDACS4C的合作方包括英特爾、Cray、英偉達(dá)和IBM等。

　　史蒂芬斯表示：“所有擁有DGX-1超級計算機(jī)，以及英偉達(dá)，都優(yōu)化了針對不同GPU的大部分通用框架。DGX-1就像是一種常見家電，我們開發(fā)并運行在DGX-1之上的所有一切都可以很容易地分發(fā)。英特爾自身也有龐大的計劃，但還沒有全部公布。我可以說，我們正在與英特爾所有合適的部門展開合作。”史蒂芬斯本人是阿爾貢國家實驗室的研究員，負(fù)責(zé)了臨床前篩查項目。

　　英特爾近期在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域的動作頻頻。英特爾收購了深度學(xué)習(xí)平臺Nervana，而近期還發(fā)布了進(jìn)一步計劃。史蒂芬斯表示：“他們正在討論Knights X的新版本，這一版本針對機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行了優(yōu)化。在他們的路線圖上，Knights Mill是首個這樣的版本。”在近期SC16超級計算大會上，英特爾還推出了深度學(xué)習(xí)推理加速卡，其硬件基于FPGA，而軟件則是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速解決方案。史蒂芬斯表示，與英偉達(dá)類似，英特爾應(yīng)當(dāng)制定通用設(shè)備戰(zhàn)略。

　　與此同時，谷歌(微博)、微軟和Facebook也在深度學(xué)習(xí)框架方面進(jìn)行了大量工作。史蒂芬斯表示：“我們正在評估，哪一框架最適合解決我們的問題，我們正在與供應(yīng)商合作，從硬件上進(jìn)行優(yōu)化。我們也在與利佛莫實驗室合作，他們的內(nèi)部項目包括開發(fā)可擴(kuò)展的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架LBANN。”

　　JDACS4C的計劃是讓模型的發(fā)展獨立于深度學(xué)習(xí)框架。如果更換框架，JDACS4C也不必對模型進(jìn)行調(diào)整。在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域，這是非常常見的方法，即設(shè)置用于模型表達(dá)的腳本層。史蒂芬斯表示：“我們正同時與學(xué)術(shù)界和英偉達(dá)合作，在頂層開發(fā)工作流引擎。我們開發(fā)了分層架構(gòu)，這涉及到與深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域各個不同組織的合作。”

　　“有趣的是，下一代平臺的供應(yīng)商正擁抱架構(gòu)概念和特性，從而加速機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展。”他指出，市場壓力，以及深度學(xué)習(xí)相對于傳統(tǒng)高性能PC的快速發(fā)展正推動供應(yīng)商向這一方向發(fā)展。

　　目前，JDACS4C試點項目仍處于啟動初期，但這一項目受到的期望很高。史蒂芬斯指出，美國癌癥研究院和美國能源部正在獲得尚不具備的能力。“美國癌癥研究院缺乏數(shù)學(xué)家和計算機(jī)科學(xué)家，而美國能源部有這樣的人才。此外他們也沒有高性能計算機(jī)。目前，我們能源部能獲得實驗數(shù)據(jù)、實驗設(shè)施和公共數(shù)據(jù)庫。”