文章摘要
【关 键 词】 心脏仿真、医学研究、性能优化、实时计算、虚拟手术
智源研究院开发了一种实时心脏电生理仿真系统，该系统能够实现心脏3D电活动的实时模拟，并深入探讨不同生理、病理因素对心脏功能的影响。这一系统在医学基础研究、虚拟药物安全性评估平台构建以及临床手术方案预演与决策支持方面具有重要意义。通过深度优化模型底层计算，智源研究院针对心脏仿真中的计算强度大和I/O密集等瓶颈问题，设计了多种优化策略，如量化和循环展开，有效降低了计算复杂度和I/O，实现了180倍的速度提升。最终，智源虚拟心脏仿真系统实现了生物时间与计算时间比为1:0.84的实时仿真，提升了心脏仿真系统的性能，并为更广泛的医学研究和临床应用提供了支持。
该系统包含19种细胞生理状态变量和70多个公式，能够实现复杂的心脏电生理与病理仿真。在技术路线上，智源研究院利用GPU架构设计中顺序访问内存的优势，设计了适合稀疏数据的数据结构，提升了I/O速度，并确保并行线程仅处理有效细胞，提高了GPU内存的利用率。在计算层面，采用量化策略简化模型中的复杂计算，降低计算复杂度。同时，通过循环展开策略减少I/O操作次数，提升SM核心的计算利用率。基于A100平台，智源设计了高效的P2P通讯方式，利用GPU直连实现节点内快速的数据交换，采用RDMA增强跨节点数据传输效率。
仿真结果显示，采用不同优化策略后，系统仿真速度整体提升了181倍。在同时采用分布式、量化、循环展开策略的情况下，2生物秒心脏功能的模拟计算时间从304.25秒降低到1.68秒，达到实时/超实时计算的要求。通过GPU指标可以看出，量化策略和循环展开策略分别提升了计算性能。团队还统计了加速前后的结果误差，满足生理准确度要求，优化前后主要离子通道的仿真曲线吻合。
智源研究院的这一成果为进一步研究心律失常产生的离子通道与分子机制等关键医学问题，以及手术规划和新药研发与其心脏安全性筛选奠定了坚实基础，同时也为其他超大复杂物理系统的实时仿真提供了坚实基础。
原文和模型
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【原文作者】 量子位
【摘要模型】 moonshot-v1-32k
【摘要评分】 ★★★★☆
