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碎裂运筹帷幄极限，智源盘考院开发出及时3D模拟数字孪生腹黑仿真系统。这一划时间技能碎裂，将为腹黑疾病临床诊疗开启精准模拟的全新纪元。

腹黑，看成紧要器官之一，其功能日常与否平直影响东谈主类的人命延续。

电生感性情反应了腹黑的健康和疾病景况。腹黑电生理行动的相配，不时会导致心律失常，从而引至心脏泵血功能枯竭等严重健康问题。

因此，真切和会和盘考腹黑的电生理流程，关于提高腹黑病的会诊和诊疗水平至关紧要。

传统的腹黑电生理盘考多依赖于实验室内的动物模子和临床数据，但这类方法不时受限于伦理问题、实验条目和数据赢得的复杂性。

跟着运筹帷幄技能的发展，运筹帷幄机仿真成为了一种新兴且雄壮的盘考器用。通过树立数学模子和运筹帷幄机密领，盘考东谈主员可构建数字孪生腹黑，八成在造谣环境中仿真并重现腹黑器官的电生理行动（造谣生理腹黑），分析其动态性情，并进行不同生理与病理条目下的实验。

造谣腹黑电生理仿真对运筹帷幄资源要求极高，即使是几毫秒的仿真，也需要积聚求解数十亿次微分方程。使用复杂的造谣腹黑模子进行盘考时，重现1秒钟的腹黑电行动也可能需要数小时或更长。这给造谣生理腹黑的临床应用与药物研发带来首要挑战。

为料理这一问题，智源盘考院开发了一套及时腹黑电生理仿真系统。该系统不仅八成及时模拟腹黑的3D电行动，还能通过多种参数的调度，真切探讨不同生理、病理要素对腹黑功能的影响。

这一及时腹黑仿真平台，一方面可在医学基础盘考鸿沟进展作用，匡助临床医师和盘考东谈主员更直不雅地和会腹黑的电生理流程，探究心律失常产期许制、推测暴毙发生率等；另一方面，可用于构建造谣药物安全性评估平台，对推动药物安全评估发展具有紧要意旨。

更紧要的是，不错在临床应用中提供手术决策预演与决策相沿，比如射频消融决策磋商，腹黑起搏器最好植入决策磋商等。该技能的鼓动将为医学盘考和临床诊疗提供新的范式。

造谣腹黑仿真发展史

造谣生理腹黑的构建可哄骗生理组学的盘考方法，概括分子生物学、存一火字学、生理学、剖解学及临床医学的最新服从，数学化以及模式化地整合从基因、卵白质、细胞、组织到器官的剖解（多物理模范：空间模范杰出10^9量级，跨时辰模范：时辰模范杰出10^15量级，如图1所示）、生理和生化信息，应用运筹帷幄机强有劲的运筹帷幄和图形显露智商，通过赋予其腹黑所具有的能源学性情、生化性情和多样生理病理特色，使之从形态、结构和功能等方面传神地再现腹黑的生理和病理行动流程。

图1：构建造谣生化生理东谈主体的时辰和空间模范。时辰模范横跨由分子事件（µs）、细胞信号传导（ms）、细胞功能（s）到东谈主体寿命 (decades) 的10^15跨度。空间模范横跨由分子（nm）、细胞（µm）、器官（cm）到躯干 (m) 的10^9杰出。

造谣生理腹黑盘考可追忆与上世纪五十年代。1952年诺贝尔奖得主Hodgkin和Huxley树立了寰球上第一个细胞运筹帷幄模子 — 乌贼神经元细胞模子[1]，首创了用运筹帷幄模子盘考生物问题的先河。

1960年Denis Noble[2]在Nature杂志上发表了第一个心肌细胞运筹帷幄模子 — 浦肯贪念肌细胞模子，首创造谣生理腹黑模子的前例。

而后几十年的盘登科，不休有盘考东谈主员研发针对不同物种、腹黑不同组织、复杂精密的心肌细胞电生理模子[3]。

1991年，Peter Hunter等东谈主[4]基于犬实验数据构建了第一个腹黑剖解结构模子，和会多物理模范与电生理的造谣腹黑模子盘考插足新阶段。而后，多模范、多物理模态的腹黑运筹帷幄模子赓续出现，并被见效应用于腹黑功能盘考与药物安全性评估[5-8]。

在早期造谣生理腹黑盘登科，腹黑一个生物秒的电生理行动不时需要数日致使数月来仿真运筹帷幄。跟着显存技能的发展，这个时辰镌汰到数天。

连年，有盘考奋发于升迁造谣生理腹黑的运筹帷幄速率。比如通过将三维腹黑空间诀别为矩形子区域来竣事并行腹黑模拟[9]，使运算速率大大升迁。

另一项盘考通过WebGL将高性能腹黑模拟膨大到普通运筹帷幄机上[10]，致使有GPU的手机也不错模拟三维心室的电动态。一些盘考试图通过自适合时辰步长来提高启动速率[11，12]，收尾标明，固定时辰步长比自适合时辰步长方法具有更好的服从[11]。

但这些盘考仅能达到「准及时运算」，离确凿意旨上的「及时运算」，即仿真时辰与生物时辰比达到1:1，还有难以逾越的距离，更无用说仿真精度的升迁带来的运算量爆炸式增长。高运筹帷幄复杂度带来的海量运算，使得造谣生理腹黑模子难以竣事及时运筹帷幄，封闭其大限制应用。

及时运筹帷幄

为了在更高分辨率、更高精度和更大限制的腹黑模子上竣事及时仿真，智源盘考院开发了具有追究细胞电生理与剖解结构的东谈主心室模子。

该模子包含了19种细胞生理景况变量和70多个公式，八成竣事复杂的腹黑电生理与病理仿真，为临床与医药工业应用提供丰富的场景。

为竣事及时运筹帷幄，智源对模子底层运筹帷幄进行了深度优化。针对腹黑仿真入彀算强度大和I/O密集等瓶颈问题，智源充分结合A100平台的硬件特色，假想了多种优化政策，如量化和轮回张开。

这些要领灵验攻讦了运筹帷幄复杂度和I/O肛交 推特，使得在更大限制和更高复杂度的腹黑模子上竣事了180倍的速率升迁。

最终，智源造谣腹黑仿真系统竣事了对腹黑电生理功能的及时仿真，达到生物时辰与运筹帷幄时辰比为1:0.84。

这一服从不仅升迁了腹黑仿真系统的性能，还为更世俗的医学盘考和临床应用提供了强有劲的相沿，象征着腹黑仿真技能的又一首要里程碑进展。

图2：及时腹黑运筹帷幄概览图

技能道路

在GPU的架构假想中，国法拜访内存（如结合的数据拜访）相较于当场拜访具有更高的性能。此外，在执行国法拜访时，频繁会采取预取技能提前加载数据，以进一步提高拜访服从。

同期，在造谣腹黑模子中，野蛮有2/3的物理空间位置是空余腔体空间，灵验心肌组织仅占1/3的物理空间。

腹黑仿的确主要运筹帷幄和I/O操作皆辘集在对灵验心肌组织中的每一个单细胞中的离子通谈和细胞膜电位进行时辰上的追究更新，同期探讨周边细胞的电耦合影响。

基于GPU访存特色和腹黑剖解结构的尽头性，团队假想了合乎寥落数据的数据结构。

哄骗国法访存升迁I/O速率，确保并行线程仅处理灵验细胞，从而最大扬弃地提高GPU内存的哄骗率。通过这种翻新的结构，显贵优化了运筹帷幄性能，使得腹黑仿真八成在IO访存上达到最优效果。

图3：腹黑模子灵验数据在GPU内存上的排布

在运筹帷幄层面，采取量化政策，灵验简化模子中的对数和指数等复杂运筹帷幄，从而显贵攻讦了运筹帷幄复杂度。

此外，为进一步减少I/O操作次数，采取轮回张开政策，竣事在一次读取中进行屡次运筹帷幄，大大攻讦I/O，显贵升迁SM中枢的运筹帷幄哄骗率。

基于A100平台，团队假想了高效的P2P通信时势，哄骗GPU直连竣事在节点内快速的数据交换，确保数据传输的低延伸与高带宽。在节点之间，采取RDMA（长途平直内存拜访），进一步增强跨节点数据传输的服从，充分进展硬件平台的并行运筹帷幄与通信智商。

图4：技能道路图

仿真收尾

团队测试了不同优化政策对仿真2生物秒腹黑功能所用运筹帷幄时辰的影响，收尾如下图所示。

对2生物秒腹黑功能的模拟，基准模子在未优化的情况下A100单卡需要运筹帷幄时辰为304.25秒。在采取漫步式、量化、轮回张开政策后，其所用时辰分别是9.75、3.93、1.68秒。

其中采取轮回张开后，运筹帷幄时辰达到2秒内，达到运筹帷幄时辰/生物比小于1，竣事及时/超及时运筹帷幄的要求。其中，漫步式运筹帷幄关于系统仿真速率影响最大，达到了32倍提速。

量化政策和轮回张开政策分别将仿真速率升迁了2.48和2.34倍。在同期采取漫步式、量化、轮回张开政策的情况下，系统仿真速率举座升迁了181倍。

图5：不同优化政策的运筹帷幄时辰

图6：不同优化政策的速率升迁

拓展弧线

图7：不同优化政策的拓展弧线

如图7膨大弧线所示，跟着GPU卡数的增多，基准模子和优化后的模子仿真时辰皆在减少。基准模子在增多到48卡后，运筹帷幄时辰不再减小。

此时的生物：运筹帷幄时辰比为1:5。再采取量化和轮回张开政策后，32张卡即可竣事及时运筹帷幄，生物：运筹帷幄时辰比达到1:0.84。

主要GPU诡计

图8：不同优化政策的运筹帷幄密度和运筹帷幄强度

图9：不同优化政策的内存和SM哄骗率

通过GPU诡计不错看出（图8，图9）量化政策通过升迁IO同期攻讦运筹帷幄的时势提高举座运筹帷幄性能；轮回展开放过大幅度攻讦I/O同期提高运筹帷幄密度的时势提高运筹帷幄性能。

运筹帷幄精度

团队统计了加快前与加快后的收尾间隙，仿的确膜电位V的时程离别<2 ms (0.6%)，模电位平均间隙为0.72mV(0.4%)，均欣喜生理准确度要求。优化前后主要离子通谈的仿真弧线吻合（如图10所示）。

图10：仿真前后细胞主要离子通谈电流与胞内离子浓度在一心律节律间的变化

追忆

智源盘考院从腹黑模子的剖解结构、心肌细胞电生理的运筹帷幄特色及运筹帷幄系统的硬件架构开赴，假想了腹黑仿真系统的数据结构和优化政策，以提高运筹帷幄服从。

团队采取先进的并行处理方法，充分哄骗当代GPU开荒的雄壮运筹帷幄智商，优化数据传输和通信时势，以减少延伸并提高数据笼统量。

通过这些政策，不仅升迁了仿真系统的运筹帷幄速率，还保证了在可汲取间隙范围内的运筹帷幄精度，最终见效竣事了腹黑仿的确及时运筹帷幄标的，达到超及时运筹帷幄收尾。

这一服从为进一步盘考心律失常产生的离子通谈与分子机制等关键医常识题，也为手术磋商如房颤射频消融决策等临床应用，以及新药研发与其腹黑安全性筛选奠定了坚实基础，同期也为其它超大复杂物理系统的及时仿真提供坚实基础。

参考辛劳：

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4. Smaill B， Hunter P. Structure and function of the diastolic heart: material properties of passive myocardium[M]//Theory of heart. Springer New York， 1991: 1-29.

5. Alday E A P， Colman M A， Langley P， Zhang H. Novel non-invasive algorithm to identify the origins of re-entry and ectopic foci in the atria from 64-lead ECGs: A computational study[J]. PLoS Computational Biolog. 2017， 13(3): e1005270.

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