從“創制”到“創智”，看高性能計算如何提速綠色農藥創新發展？

在現代農業生產中，農藥的使用對于保障作物生長、提高產量和品質具有不可或缺的作用。數據顯示，使用農藥每年可為全球農作物挽回三到四成的產量損失；而在中國，使用農藥每年挽回的產量損失更是超2800億斤。

當前，對人類健康安全無害，對環境友好，超低用量，具有高選擇性，以及通過綠色工藝流程生產出來的綠色農藥既是現代農業“提質增效”的關鍵之舉，也是建設農業科技強國、保障糧食安全的戰略舉措。

但也要看到，綠色農藥的創制是國際公認的重大科技難題，涉及廣泛學科交叉，往往需合成大量化合物，并需要歷經多年驗證，成本高昂且風險巨大。也正因此，將高性能計算、大數據以及人工智能等新興技術應用于綠色農藥創制研究，提高綠色農藥創制效率，已成為重要的發展趨勢。

在此背景之下，華中師范大學綠色農藥全國重點實驗室聯合武漢人工智能計算中心、華為，開發出的全球首款軟硬件全棧創新領先的農藥分子設計“神農”一體機，為農藥創制人員提供了強大的算力和算法支持，無疑就具有重要而深遠的價值。

01.

綠色農藥亟待高質量發展

作為農藥生產、使用、出口大國，中國農藥創制經歷了“低效高毒-高效高毒-高效低毒-綠色農藥”的發展過程，整體能力不斷增強，產品結構明顯優化，在“保供給、保安全、保生態”方面發揮了不可替代的價值和作用。

但隨著重大病蟲害呈多發重發態勢，防控任務加重，加之林草、衛生等領域需求的增加，以及當前人民對美好生活的向往需要提供安全多樣的農產品，都對農藥產業綠色高質量發展以及綠色農藥的創制提出了更高要求。

可以看到，近年來，國家高度重視農藥科技創新與產業發展，特別是在國家發布的《“十四五”全國農藥產業發展規劃》中，就明確提出要“加強農藥產業關鍵核心技術攻關，通過優化協同創新路徑，加大優勢科研資源整合，推進產學研深度融合，提升我國農藥產業原始創新、協同創新和集成創新能力。”

與此同時，綠色農藥的創制一直是國際公認的重大科技難題，這是一項非常復雜、多學科集成的系統工程，平均耗資巨大，且耗時長。數據顯示，由于農藥登記要求的變化以及對農藥性能要求的不斷提高，現在成功開發一個新農藥，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計技術的持續創新，則為綠色農藥的創制以及產業高質量發展帶來了“彎道超車”的機會。例如，人工智能輔助的綠色農藥研發，可以其精準的數據分析能力，對農藥成分、作用機理以及環境影響進行深入挖掘。通過機器學習算法，篩選出高效且低毒的化合物，同時評估其生態兼容性，確保新農藥的環境友好性。這種由數據驅動的研發模式，不僅縮短了農藥從實驗室到田間的時間，還大大提高了研發的成功率。

不僅如此，隨著AI技術的發展，其還能夠根據不同地區的氣候、作物種植習慣以及害蟲發生規律，智能化推薦最適宜的農藥品種和施用時機。這種定制化的農藥使用策略，能夠在保證防效的同時，最大程度減少農藥的使用量，減輕對環境的負擔；此外，人工智能還在農藥的風險評估與監控中發揮重要作用。通過對農產品質量、土壤和水體等環境因素的實時監測，AI能夠及時預警可能的風險，并指導農戶進行科學施藥，保障農產品的安全與健康。

由此可見，通過引入包括高性能計算和人工智能在內的新技術，持續提升綠色農藥創新研究水平，推動國家農藥產業高質量發展和綠色新質生產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“創新先行”

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

PADI軟件涵蓋了靶標發現、苗頭產生、從苗頭到先導、先導優化、候選化合物選擇、毒性預測、抗性預測等多個農藥創制的關鍵環節，同時還整合了人工智能輔助的原創性分子靶標發現新算法、人工智能輔助的原創性先導結構發現新算法、人工智能輔助的類農藥性分析新算法、人工智能輔助的農藥代謝行為及環境毒理學性質預測算法等，在人工智能技術的加持之下，該平臺能夠大幅減少需要合成篩選化合物數量，大幅降低研發資金投入，大幅縮短研發周期，同時顯著提高研發效率和成功率，助力發現高效、安全、經濟的綠色農藥先導化合物，推動綠色農藥創制技術的變革。

在此基礎上，華中師范大學綠色農藥全國重點實驗室還與武漢人工智能計算中心、華為技術有限公司共同開展合作，并基于鯤鵬CPU、歐拉操作系統等芯片和操作系統等“根”技術進行聯合創新，開發了全球首款軟硬件全棧創新領先的農藥分子設計“神農”一體機，使得以往研發平均需要11.3年的時間，縮短到的現在只需1到3年。

該一體機采用鯤鵬服務器做計算、存儲與管理，中間通過高速網絡互聯，能夠提供計算、存儲可彈性擴展靈活架構，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化也使得搭載在“神農”一體機之上的PDAI平臺能夠應對復雜的農藥分子設計任務時更好發揮性能潛力，真正為農藥創制人員提供強大的算力和算法支持。

據了解，“神農”一體機在近期多個農藥技術創新會議上展示，就引起了參會者的強烈關注，未來也將面向全國農藥企業、科研院所進行推廣，實現聯合創新、產業成果轉化。可以說，它的成功研發和推出，為未來綠色農藥的創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計技術，持續創新綠色農藥的創制，將為破解綠色農藥創制這一國際公認的重大科技難題提供“新路徑”，為未來綠色農藥的創制和發展提供更多的想象力和創造力。

另一方面，借助鯤鵬CPU、歐拉操作系統等“根”技術打造的全棧創新領先的一體機，則為突破綠色農藥分子設計中所面臨的“卡脖子”技術提供了“新選擇”，為我國實現高水平的農業科技自立自強提供了關鍵技術支撐。

全球首款軟硬件全棧創新領先的農藥分子設計“神農”一體機的成功推出，背后同樣也是學科交叉協同創新的重要體現，也是強強聯合創新突破“卡脖子”技術難題的“標桿”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計技術，也將在新時代綠色農藥創制的過程中“大展拳腳”，持續推動綠色農藥產業高質量發展再創“新篇章”。