從“創(chuàng)制”到“創(chuàng)智”，看高性能計算如何提速綠色農(nóng)藥創(chuàng)新發(fā)展？

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)藥的使用對于保障作物生長、提高產(chǎn)量和品質(zhì)具有不可或缺的作用。數(shù)據(jù)顯示，使用農(nóng)藥每年可為全球農(nóng)作物挽回三到四成的產(chǎn)量損失；而在中國，使用農(nóng)藥每年挽回的產(chǎn)量損失更是超2800億斤。

當(dāng)前，對人類健康安全無害，對環(huán)境友好，超低用量，具有高選擇性，以及通過綠色工藝流程生產(chǎn)出來的綠色農(nóng)藥既是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)“提質(zhì)增效”的關(guān)鍵之舉，也是建設(shè)農(nóng)業(yè)科技強(qiáng)國、保障糧食安全的戰(zhàn)略舉措。

但也要看到，綠色農(nóng)藥的創(chuàng)制是國際公認(rèn)的重大科技難題，涉及廣泛學(xué)科交叉，往往需合成大量化合物，并需要?dú)v經(jīng)多年驗證，成本高昂且風(fēng)險巨大。也正因此，將高性能計算、大數(shù)據(jù)以及人工智能等新興技術(shù)應(yīng)用于綠色農(nóng)藥創(chuàng)制研究，提高綠色農(nóng)藥創(chuàng)制效率，已成為重要的發(fā)展趨勢。

在此背景之下，華中師范大學(xué)綠色農(nóng)藥全國重點(diǎn)實驗室聯(lián)合武漢人工智能計算中心、華為，開發(fā)出的全球首款軟硬件全棧創(chuàng)新領(lǐng)先的農(nóng)藥分子設(shè)計“神農(nóng)”一體機(jī)，為農(nóng)藥創(chuàng)制人員提供了強(qiáng)大的算力和算法支持，無疑就具有重要而深遠(yuǎn)的價值。

01.

綠色農(nóng)藥亟待高質(zhì)量發(fā)展

作為農(nóng)藥生產(chǎn)、使用、出口大國，中國農(nóng)藥創(chuàng)制經(jīng)歷了“低效高毒-高效高毒-高效低毒-綠色農(nóng)藥”的發(fā)展過程，整體能力不斷增強(qiáng)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)化，在“保供給、保安全、保生態(tài)”方面發(fā)揮了不可替代的價值和作用。

但隨著重大病蟲害呈多發(fā)重發(fā)態(tài)勢，防控任務(wù)加重，加之林草、衛(wèi)生等領(lǐng)域需求的增加，以及當(dāng)前人民對美好生活的向往需要提供安全多樣的農(nóng)產(chǎn)品，都對農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展以及綠色農(nóng)藥的創(chuàng)制提出了更高要求。

可以看到，近年來，國家高度重視農(nóng)藥科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，特別是在國家發(fā)布的《“十四五”全國農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中，就明確提出要“加強(qiáng)農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，通過優(yōu)化協(xié)同創(chuàng)新路徑，加大優(yōu)勢科研資源整合，推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研深度融合，提升我國農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)原始創(chuàng)新、協(xié)同創(chuàng)新和集成創(chuàng)新能力。”

與此同時，綠色農(nóng)藥的創(chuàng)制一直是國際公認(rèn)的重大科技難題，這是一項非常復(fù)雜、多學(xué)科集成的系統(tǒng)工程，平均耗資巨大，且耗時長。數(shù)據(jù)顯示，由于農(nóng)藥登記要求的變化以及對農(nóng)藥性能要求的不斷提高，現(xiàn)在成功開發(fā)一個新農(nóng)藥，需要合成篩選約15.9萬個化合物，耗資超過3億美元，從首次合成到上市平均歷時11.3年。

近些年，隨著高性能計算和人工智能輔助藥物分子設(shè)計技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，則為綠色農(nóng)藥的創(chuàng)制以及產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展帶來了“彎道超車”的機(jī)會。例如，人工智能輔助的綠色農(nóng)藥研發(fā)，可以其精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析能力，對農(nóng)藥成分、作用機(jī)理以及環(huán)境影響進(jìn)行深入挖掘。通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法，篩選出高效且低毒的化合物，同時評估其生態(tài)兼容性，確保新農(nóng)藥的環(huán)境友好性。這種由數(shù)據(jù)驅(qū)動的研發(fā)模式，不僅縮短了農(nóng)藥從實驗室到田間的時間，還大大提高了研發(fā)的成功率。

不僅如此，隨著AI技術(shù)的發(fā)展，其還能夠根據(jù)不同地區(qū)的氣候、作物種植習(xí)慣以及害蟲發(fā)生規(guī)律，智能化推薦最適宜的農(nóng)藥品種和施用時機(jī)。這種定制化的農(nóng)藥使用策略，能夠在保證防效的同時，最大程度減少農(nóng)藥的使用量，減輕對環(huán)境的負(fù)擔(dān)；此外，人工智能還在農(nóng)藥的風(fēng)險評估與監(jiān)控中發(fā)揮重要作用。通過對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、土壤和水體等環(huán)境因素的實時監(jiān)測，AI能夠及時預(yù)警可能的風(fēng)險，并指導(dǎo)農(nóng)戶進(jìn)行科學(xué)施藥，保障農(nóng)產(chǎn)品的安全與健康。

由此可見，通過引入包括高性能計算和人工智能在內(nèi)的新技術(shù)，持續(xù)提升綠色農(nóng)藥創(chuàng)新研究水平，推動國家農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和綠色新質(zhì)生產(chǎn)力的打造可以說不僅是“趨勢所在”，更是“迫在眉睫”。

02.

智慧平臺建設(shè)“創(chuàng)新先行”

在這方面，華中師范大學(xué)綠色農(nóng)藥全國重點(diǎn)實驗室可謂“一馬當(dāng)先”， 其團(tuán)隊一直致力于用人工智能等新興技術(shù)輔助綠色農(nóng)藥分子設(shè)計，不僅率先建立了人工智能輔助的類農(nóng)藥性預(yù)測模型，打造了全球首個基于高性能計算與人工智能驅(qū)動的綠色農(nóng)藥分子設(shè)計專用軟件技術(shù)平臺Pesticide Discovery AI（PDAI）。

PADI軟件涵蓋了靶標(biāo)發(fā)現(xiàn)、苗頭產(chǎn)生、從苗頭到先導(dǎo)、先導(dǎo)優(yōu)化、候選化合物選擇、毒性預(yù)測、抗性預(yù)測等多個農(nóng)藥創(chuàng)制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時還整合了人工智能輔助的原創(chuàng)性分子靶標(biāo)發(fā)現(xiàn)新算法、人工智能輔助的原創(chuàng)性先導(dǎo)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)新算法、人工智能輔助的類農(nóng)藥性分析新算法、人工智能輔助的農(nóng)藥代謝行為及環(huán)境毒理學(xué)性質(zhì)預(yù)測算法等，在人工智能技術(shù)的加持之下，該平臺能夠大幅減少需要合成篩選化合物數(shù)量，大幅降低研發(fā)資金投入，大幅縮短研發(fā)周期，同時顯著提高研發(fā)效率和成功率，助力發(fā)現(xiàn)高效、安全、經(jīng)濟(jì)的綠色農(nóng)藥先導(dǎo)化合物，推動綠色農(nóng)藥創(chuàng)制技術(shù)的變革。

在此基礎(chǔ)上，華中師范大學(xué)綠色農(nóng)藥全國重點(diǎn)實驗室還與武漢人工智能計算中心、華為技術(shù)有限公司共同開展合作，并基于鯤鵬CPU、歐拉操作系統(tǒng)等芯片和操作系統(tǒng)等“根”技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合創(chuàng)新，開發(fā)了全球首款軟硬件全棧創(chuàng)新領(lǐng)先的農(nóng)藥分子設(shè)計“神農(nóng)”一體機(jī)，使得以往研發(fā)平均需要11.3年的時間，縮短到的現(xiàn)在只需1到3年。

該一體機(jī)采用鯤鵬服務(wù)器做計算、存儲與管理，中間通過高速網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，能夠提供計算、存儲可彈性擴(kuò)展靈活架構(gòu)，幫助用戶獲取極致有效算力，同時基于全棧軟硬件的深度優(yōu)化也使得搭載在“神農(nóng)”一體機(jī)之上的PDAI平臺能夠應(yīng)對復(fù)雜的農(nóng)藥分子設(shè)計任務(wù)時更好發(fā)揮性能潛力，真正為農(nóng)藥創(chuàng)制人員提供強(qiáng)大的算力和算法支持。

據(jù)了解，“神農(nóng)”一體機(jī)在近期多個農(nóng)藥技術(shù)創(chuàng)新會議上展示，就引起了參會者的強(qiáng)烈關(guān)注，未來也將面向全國農(nóng)藥企業(yè)、科研院所進(jìn)行推廣，實現(xiàn)聯(lián)合創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)成果轉(zhuǎn)化。可以說，它的成功研發(fā)和推出，為未來綠色農(nóng)藥的創(chuàng)制提供了極具借鑒和參考的新價值。

一方面，基于高性能計算和人工智能輔助藥物分子設(shè)計技術(shù)，持續(xù)創(chuàng)新綠色農(nóng)藥的創(chuàng)制，將為破解綠色農(nóng)藥創(chuàng)制這一國際公認(rèn)的重大科技難題提供“新路徑”，為未來綠色農(nóng)藥的創(chuàng)制和發(fā)展提供更多的想象力和創(chuàng)造力。

另一方面，借助鯤鵬CPU、歐拉操作系統(tǒng)等“根”技術(shù)打造的全棧創(chuàng)新領(lǐng)先的一體機(jī)，則為突破綠色農(nóng)藥分子設(shè)計中所面臨的“卡脖子”技術(shù)提供了“新選擇”，為我國實現(xiàn)高水平的農(nóng)業(yè)科技自立自強(qiáng)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

全球首款軟硬件全棧創(chuàng)新領(lǐng)先的農(nóng)藥分子設(shè)計“神農(nóng)”一體機(jī)的成功推出，背后同樣也是學(xué)科交叉協(xié)同創(chuàng)新的重要體現(xiàn)，也是強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合創(chuàng)新突破“卡脖子”技術(shù)難題的“標(biāo)桿”案例，相信未來在各方的共同努力下，高性能計算和人工智能輔助藥物分子設(shè)計技術(shù)，也將在新時代綠色農(nóng)藥創(chuàng)制的過程中“大展拳腳”，持續(xù)推動綠色農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展再創(chuàng)“新篇章”。