NVIDIA BioNeMo エージェント・ツールキットによるエンドツーエンド共折りたたみ性能の加速
NVIDIA は BioNeMo エージェント・ツールキットの導入により、タンパク質構造予測におけるエンドツーエンド共折りたたみ処理の性能を大幅に向上させる技術を発表した。
キーポイント
BioNeMo Agent Toolkit の機能強化
NVIDIA が開発した BioNeMo エージェント・ツールキットを活用し、従来の手法よりもはるかに効率的な共折りたたみ処理を実現する技術を発表しました。
エンドツーエンド性能の劇的向上
タンパク質構造予測における「共折りたたみ(co-folding)」プロセス全体を最適化し、計算速度と精度の両面で大幅なパフォーマンス向上を実現しています。
創薬・バイオ研究への応用
この技術革新により、新薬開発やタンパク質設計におけるシミュレーション期間の短縮が期待され、生命科学研究の実践的な加速に寄与します。
重要な引用
NVIDIA は、BioNeMo エージェント・ツールキットを活用することで、タンパク質構造予測におけるエンドツーエンドの共折りたたみ処理の性能を大幅に向上させる技術を発表しました。
影響分析・編集コメントを表示
影響分析
この発表は、AI を活用したタンパク質構造予測の分野において、計算リソースの効率化と精度向上を両立させる重要な転換点となります。特に創薬プロセスにおけるシミュレーション時間の短縮は、新薬開発サイクルの加速に直結するため、バイオテクノロジー業界全体のパラダイムシフトを促す可能性があります。
編集コメント
生命科学研究における AI の実用化が加速しており、特に複雑なタンパク質相互作用の解析において NVIDIA のプラットフォームが重要な役割を果たし始めています。
OpenFold3 などのモデルを用いた生体分子構造予測および共折りたたみは現在主流となり、創薬やタンパク質設計を支える大規模なワークロードとなっています。これらはますます AI エージェントによってエンドツーエンドで駆動されています。エージェントがそのパイプラインを効果的に実行するためには、各ステップが高速かつスケーラブルである必要があります:Multiple Sequence Alignment (MSA) 生成、共折りたたみ推論、サービス提供、そしてマルチ GPU によるスケールアウトです。どこかにボトルネックが生じると、全体の処理能力が制限されてしまいます。
速度とメモリエフィシエンシーは、バーチャルスクリーニングや大分子集合体の予測といった重要な創薬ワークフローにおいて極めて重要です。バーチャルスクリーニングでは、数百万から数十億の化合物を 1 つまたは少数のタンパク質ターゲットに対してスクリーニングします。共折りたたみモデルはしばしば最も精度の高い構造予測を提供しますが、実行コストが高いため、バーチャルスクリーニング用途には実用的でない場合があります。ここで NVIDIA のアクセラレーションが鍵となり、OpenFold3 や関連手法を大規模な化合物ライブラリ規模で展開することを可能にします。
複数のタンパク質と数千アミノ酸残基を関与する大分子集合体の予測においても、速度は重要です。共折りたたみモデルのランタイムは残基数に対して立方スケーリングするためです。しかし、より大きな課題はメモリ使用量であり、単一 GPU のメモリ容量には限界があり、一度に予測可能な複合体のサイズに厳しい上限を課しています。メモリ要件を削減し、予測タスクを複数の GPU に分散させる手法は、今日では単に実現不可能な質的に新しいアプリケーションを可能にするでしょう。
NVIDIA は、構造予測および共折りたたみワークフローの各ステップの効率化と加速のためのツールを構築しました。NVIDIA BioNeMo Agent Toolkit は、生物学および化学ワークフローの加速に必要なツールへエージェントがシームレスにアクセスできるようにします。本稿では、NVIDIA B300 および H100 GPU における各段階の加速内容を解説し、その後、これらの段階をエージェントを通じてどのように実行するかを示します(以下、図 1 を参照)。
image*図 1. NVIDIA が加速した構造予測ワークフロー:GPU MSA、cuEquivariance、最適化された推論、Fold-CP。これらはすべて BioNeMo Agent Toolkit によってオーケストレーションされています*
GPU MSA で MSA のボトルネックを解消する
共折りたたみモデルにおいて、MSA の構築は従来、CPU バウンド型のステップであり、実測時間の大部分を占めることがありました。MMseqs2-GPU は相同性検索を NVIDIA GPU 上に移動させることでこのボトルネックを解消し、NVIDIA Hopper および NVIDIA Blackwell アーキテクチャ上でシーケンス長に応じてスケーラブルに動作します。
最新の GPU アクセラレーション版 The latest GPU accelerated version では、Hopper および Blackwell 固有の最適化が追加されており、NVIDIA Grace システム上での GPU メモリを超える大規模データベース検索の効率的なサポートや、CUDA 13.2 available from CUDA 13.2 で利用可能な改善された Blackwell DPX 命令によるさらなる高速化が含まれています。これらの GPU への貢献は、コミュニティ全体が加速効果を活用できるよう、メインの MMseqs2 repository リポジトリにアップストリームされています。
MSA Search NIM は MMseqs2-GPU を使用しており、その Nature Methods paper では、単一の L40S 上で CPU の JackHMMER と比較して最大 177 倍**高速なアライメントが可能であると報告されています。ベンチマークでは、このステージは H100 および B300 GPU で 10k トークンを超えてスムーズにスケーリングします(以下 Figure 2 を参照)。MSA Search NIM は直接呼び出すことも、セルフホストすることも、アジェンティックワークフロー内のツールとしてラップすることも可能です。
注:ここでは build.nvidia.com にホストされた NIM API エンドポイントの呼び出し方を示しますが、大規模なワークロードにおいては、セルフホスト型の NIM が推奨されるエンドポイントです。build.nvidia.com のエンドポイントは大量のリクエストを処理するために設計されていないため、タイムアウトが発生します。
npx skills add NVIDIA-BioNeMo/bionemo-agent-toolkit --skill msa-search-nim --agent claude-code
export NVIDIA_API_KEY=<key from build.nvidia.com>
"target.fasta の配列に対して MSA Search NIM を使用して MSA(Multiple Sequence Alignment:多重アラインメント)を構築する。"
image*図 2. H100 および B300 上で、MSA ステージのレイテンシは約 10k トークンまでほぼ線形にスケールします(~10k トークンで 429 秒対 463 秒)***
cuEquivariance と OpenFold3 NIM を用いて SOTA(State-of-the-Art:最先端)速度でフォールドする
cuEquivariance は、原子レベルのモデリングのための幾何学習プリミティブを備えた CUDA-X ライブラリであり、共フォールディングを支配する Triangle Attention(トライアングル・アテンション)、Triangle Multiplication(トライアングル乗算)、Attention Pair Bias(アテンションペアバイアス)カーネルの高速化バージョンを提供します。B300 上ではレイテンシが最大約 3 倍短縮されます(以下、表 1 を参照)。
配列長PyTorch (OSS)cuEquivariance速度向上比
1,024 (H100)79.4 秒41.6 秒1.9 倍
1,024 (B300)49.1 秒27.3 秒1.8 倍
1,536 (B300)149.0 秒56.2 秒2.7 倍
2,048 (B300)300.1 秒97.6 秒3.1 倍
*表 1. cuEquivariance を使用した場合と使用しない場合の OpenFold3 フォワードパスのレイテンシ比較*
cuEquivariance カーネルは、OpenFold3(オプション依存関係として提供)、OpenFold2、RosettaFold3、Protenix、および Boltz といったオープンソースソフトウェア(OSS)モデルに直接統合されています。
これらの OSS モデルへの加速機能の上流化により、研究者は NVIDIA GPU で既に使用しているモデルを実行するだけで自動的に速度向上を得ることができます。また、cuEquivariance カーネルは最大シーケンス長を約 5.9k トークンまで拡張しますが、PyTorch では約 1.5k〜2.5k トークンを過ぎるとメモリ不足になります。
image*図 3. cuEquivariance は、H100 および B300 上で PyTorch に比べてレイテンシを低減し、最大シーケンス長を拡張します***
cuEquivariance の上に、OpenFold3 NIM はさらに推論最適化を追加しており、これらが相乗効果を生み(*以下に図 4 を参照*)、単一の B300 で最大約6,400 のシーケンス長を達成します。これらの追加の加速機能は NIM を通じて提供されます。すぐに使える最先端(SOTA)を実現するには、開発者は NIM エンドポイントを直接呼び出すか、エージェントワークフローに組み込むことができます。**
image*図 4. H100 および B300 上で完全に最適化された OpenFold3 NIM。それぞれ約 3 倍、4 倍の高速化を達成し、単一の B300 で最大 6,400 トークンの構造折りたたみを実現*
npx skills add NVIDIA-BioNeMo/bionemo-agent-toolkit --skill openfold3-nim --agent claude-code
export NVIDIA_API_KEY=<key from build.nvidia.com>
"Fold target.fasta with OpenFold3 using the MSA from the previous step; return the ranked structures with confidence scores."
GPU 1 枚を超えて Fold-CP でスケーリングする
従来、単一 GPU のメモリ容量が共折りたたみモデルを数千アミノ酸残基に制限していました。NVIDIA B300 (Blackwell Ultra)** では、より大容量の HBM と Blackwell 世代の効率性が組み合わさり、前述の cuEquivariance および高度な推論最適化により、モデルの変更なしでこの上限を大幅に引き上げます。
多くの場合、単一デバイスでの実行では不十分な場合があります。Fold-CP は新しい並列化技術を導入し、デバイスあたりのメモリ要件が *O(N²/P)* でスケーリングするようにしました(ここで N はトークン数、P は GPU 数)。これにより、Boltz-2 モデルを使用した場合、64 枚の B300 で最大32,000 トークンまで対応可能となり、単一 GPU の制限と比較して約 12 倍の飛躍となります。
Fold-CP を試すには、エージェントを Boltz-CP コードベースに指し示し、マルチ GPU 推論の実行を依頼するだけです。
git clone https://github.com/NVIDIA-Digital-Bio/boltz-cp && cd boltz-cp
torchrun --nnodes 1 --nproc_per_node 4 \
src/boltz/distributed/main.py predict /path/to/preprocessed_data
--out_dir ./predictions \
--size_dp 1 --size_cp 4 \
--recycling_steps 3 --sampling_steps 200 --diffusion_samples 5
Accelerating the end-to-end co-folding pipeline
構造予測の性能は、もはやエンドツーエンドのシステム問題となっています。OpenFold3 における実用的なワークフローには、MSA(Multiple Sequence Alignment)の生成、共折りたたみ推論、デプロイメントが含まれ、さらにどの程度の大きさの生物学的複合体をモデル化できるかを決定するメモリの制限も含まれます。
NVIDIA はこのワークフローの各層を加速します。MSA Search NIM は相同性検索を 177 倍高速化し、cuEquivariance と OpenFold3 NIM は Blackwell GPU 上で推論レイテンシを最大 4 倍短縮します。また Fold-CP は、コンテキスト並列処理(context parallelism)が共折りたたみを単一の GPU から 64 枚の NVIDIA B300 GPU を用いた 32,000 トークンの複合体まで拡張できる可能性を示しています。
これらのツールを組み合わせることで、構造予測はより高速かつスケーラブルになり、エージェント型発見ワークフローへの組み込みが容易になります。これにより研究者はモデルからの予測から、より大規模で有用な生物学的システムへと移行できるようになります。
What these accelerations unlock
これらの改善は、以前は手が届かなかった構造生物学の問題のクラスを可能にします。バーチャルスクリーニングにおいて、共折りたたみ推論が高速化されることで、構造化ベースの方法(structure-based methods)が従来は創薬キャンペーンの最終段階に限定されていたものが、はるかに早期の段階で適用できるようになり、かつはるかに大規模なライブラリスケールで利用可能になります。これにより、パイプラインを通過するヒットの質と多様性が向上します。
大規模な生体分子集合体において、B300 における拡張された単一 GPU 容量と文脈並列 Fold-CP フレームワークの組み合わせは、モデル化可能な範囲を根本から変えます。リボソームやスプライソソーム、あるいは大規模なシグナル伝達複合体のようなスケールの複合体は、共折りたたみモデルにとって構造的に扱いにくい対象でしたが、これらの加速技術がその状況を変わり始めました。
これを具体的に説明すると、約 10,000 アミノ酸残基からなる複合体(細菌リボソームの規模に相当)を折りたたむことは、単一の GPU では費用が高すぎて現実的ではなく、あるいはそもそも手が届かない領域でした。しかし、B300 で Fold-CP を用いれば、そのような予測がマルチ GPU ノード全体で扱い可能になります。
これは構造化生物学が計算機上で問いかける質問における質的な転換であり、単なるスループットの向上ではありません。これらのツールをオープンソース統合やエージェント API を通じて利用しやすくすることで、計算による予測が生物学的洞察へと、ひいては新たな医薬品へと変換されるまでのペースを加速させることができます。
Getting started
NVIDIA BioNeMo Agent Toolkit を用いた高速化された OpenFold3 ワークフローを試してみましょう。まずは以下のツールから始めます:
- MSA Search NIM: https://build.nvidia.com/colabfold/msa-search
- cuEquivariance: https://github.com/nvidia/cuequivariance
- OpenFold3 NIM: https://build.nvidia.com/openfold/openfold3
- 大規模集合体向けの Fold-CP: https://github.com/NVIDIA-BioNeMo/boltz-cp
Acknowledgments
*より広範な NVIDIA チームに、ベンチマークとツールの開発にご尽力いただいた Franco Pellegrini 氏、Lalit Vaidya 氏、Duc Tran 氏、Tien Pham 氏、Maximilian Stadler 氏、Alejandro Chacon 氏、Quan Vu 氏、Simon Chu 氏、Brian Roland 氏、Dejun Lin 氏、Joseph Chang 氏、Hoa La 氏、Jonathan Mitchell 氏、Vishanth Iyer 氏、Timur Rvachov 氏、Christian Dallago 氏、Christian Hundt 氏に感謝いたします。また、OpenFold および OMSF チームの皆様にも、ご協力と貢献に対して心より御礼申し上げます。
原文を表示
Biomolecular structure prediction and co-folding with models like OpenFold3 are now mainstream, large-scale workloads powering drug discovery and protein design. Increasingly, they’re driven end-to-end by AI agents. For an agent to run that pipeline well, every step needs to be fast and scalable: Multiple Sequence Alignment (MSA) generation, co-folding inference, serving, and multi-GPU scale-out. A bottleneck anywhere limits overall throughput.
Speed and memory-efficiency are critical for key drug discovery workflows such as virtual screening and prediction of large molecular assemblies. In virtual screening, millions to billions of compounds are screened against one or a few protein targets. While co-folding models often give the best predicted structures, they can be expensive to run, making them impractical for virtual screening applications. That is where NVIDIA acceleration becomes key, making possible the deployment of OpenFold3 and related methods at the scale of large compound libraries.
Speed is also important for predicting large molecular assemblies involving multiple proteins and thousands of amino acid residues, as co-folding model runtime scales cubically with the number of residues. An even bigger challenge, however, is memory use, as single GPU memory can be limited, placing a hard ceiling on the size of complexes that can be predicted in one shot. Methods to reduce memory requirements, and that distribute prediction tasks across multiple GPUs, would enable qualitatively new applications that are simply unfeasible today.
NVIDIA has built tools to accelerate and improve the efficiency of each step of the structure prediction and co-folding workflow. NVIDIA BioNeMo Agent Toolkit gives agents seamless access to the tools they need to accelerate biology and chemistry workflows. In this post, we break down the accelerations for each stage on NVIDIA B300 and H100 GPUs, then show how those stages can be executed through an agent (see Figure 1, below).

Remove the MSA bottleneck with GPU MSA
For co-folding models, building the MSA has traditionally been a CPU-bound step that can dominate wall-clock time. MMseqs2-GPU moves homology search onto NVIDIA GPUs, reducing this bottleneck while scaling with sequence length on both NVIDIA Hopper and NVIDIA Blackwell architectures.
The latest GPU accelerated version adds Hopper and Blackwell specific optimizations, including efficient support for larger-than-GPU-memory database search on NVIDIA Grace systems and additional speedups from improved Blackwell DPX instructions available from CUDA 13.2. These GPU contributions have been upstreamed back into the main MMseqs2 repository so the whole community can benefit from the accelerations.
The MSA Search NIM uses MMseqs2-GPU, whose Nature Methods paperreports up to 177× faster alignment than CPU JackHMMER on a single L40S. In our benchmarking, the stage scales smoothly past 10k tokens on H100 and B300 GPUs (see Figure 2, below). The MSA Search NIM can be called directly, self-hosted or wrapped as a tool in an agentic workflow.
npx skills add NVIDIA-BioNeMo/bionemo-agent-toolkit --skill msa-search-nim --agent claude-code
export NVIDIA_API_KEY=<key from build.nvidia.com>
"Build an MSA for the sequence in target.fasta with the MSA Search NIM."

Fold at SOTA speed with cuEquivariance and the OpenFold3 NIM
cuEquivariance is a CUDA-X library of geometric learning primitives for atomistic modeling and it provides accelerated versions of the Triangle Attention, Triangle Multiplication and Attention Pair Bias kernels that dominate co-folding. On B300 it cuts latency up to ~3× *(*see Table 1, below*)*.
cuEquivariance kernels are integrated directly into the OSS models like OpenFold3 (provided as an optional dependency), OpenFold2, RosettaFold3, Protenix and Boltz.
Because the accelerations are upstreamed into these OSS models, a researcher gets the speedups automatically simply by running the model they already use on an NVIDIA GPU. CuEquivariance kernels also extends maximum sequence length to ~5.9k tokens while PyTorch runs out of memory beyond ~1.5k–2.5k tokens.

On top of cuEquivariance, the OpenFold3 NIM applies further inference optimizations that compound the gain *(*see Figure 4, below*), *achieving sequence lengths of up to ~6,400 on a single B300. These additional accelerations are delivered through the NIM; for SOTA out of the box, developers can call the NIM endpoint directly or compose it into an agentic workflow.**

npx skills add NVIDIA-BioNeMo/bionemo-agent-toolkit --skill openfold3-nim --agent claude-code
export NVIDIA_API_KEY=<key from build.nvidia.com>
"Fold target.fasta with OpenFold3 using the MSA from the previous step; return the ranked structures with confidence scores."
Scale beyond one GPU with Fold-CP
Single-GPU memory has historically capped co-folding models at a few thousand residues. On NVIDIA B300 (Blackwell Ultra)**, the larger HBM and Blackwell-generation efficiency combined with the cuEquivariance and advanced inference optimizations above push that ceiling substantially higher with no model changes.
In many cases, being single-device bound may not be sufficient. Fold-CP introduces a new parallelization technique such that per-device memory requirement scales as *O(N²/P) where N is token count and P is the number of GPUs*, reaching 32,000 tokens on 64 B300 with the Boltz-2 model—about a 12× jump over the single-GPU limit.
To try Fold-CP, simply point your agent to the Boltz-CP codebase and ask it to run multi-GPU inference.
git clone https://github.com/NVIDIA-Digital-Bio/boltz-cp && cd boltz-cp
torchrun --nnodes 1 --nproc_per_node 4 \
src/boltz/distributed/main.py predict /path/to/preprocessed_data \
--out_dir ./predictions \
--size_dp 1 --size_cp 4 \
--recycling_steps 3 --sampling_steps 200 --diffusion_samples 5
Accelerating the end-to-end co-folding pipeline
Structure prediction performance is now an end-to-end systems problem. For OpenFold3, the practical workflow spans MSA generation, co-folding inference, deployment, and the memory limits that determine how large a biological assembly can be modeled.
NVIDIA accelerates each layer of that workflow: MSA Search NIM speeds homology search by 177x, cuEquivariance and OpenFold3 NIM lower inference latency by up to 4x on Blackwell GPUs, and Fold-CP shows how context parallelism can extend co-folding beyond a single GPU to 32,000-token complexes on 64 NVIDIA B300 GPUs.
Together, these tools make structure prediction faster, more scalable, and easier to compose into agentic discovery workflows, helping researchers move from model predictions to larger, more useful biological systems.
What these accelerations unlock
These improvements open up classes of structural biology problems that were previously out of reach. In virtual screening, faster co-folding inference means that structure-based methods, which have historically been reserved for the final stages of a drug discovery campaign, can now be applied at far earlier stages and at much larger library scales, improving the quality and diversity of hits that advance through the pipeline.
For large biomolecular assemblies, the combination of extended single-GPU capacity on B300 and the context-parallel Fold-CP framework shifts what is modelable: complexes at the scale of the ribosome, the spliceosome, or large signaling assemblies have been structurally intractable for co-folding models, and these accelerations begin to change that. To make this concrete, folding a complex of ~10,000 residues, roughly the scale of the bacterial ribosome, would have been prohibitively expensive or simply out of reach on a single GPU; on B300 with Fold-CP, such predictions become tractable across a multi-GPU node.
These are qualitative shifts in the questions that structural biology can ask computationally, not merely improvements in throughput. Making these tools accessible through open-source integrations and agentic APIs will accelerate the pace at which computational predictions translate into biological insight and, ultimately, into new medicines.
Getting started
Try the accelerated OpenFold3 workflow with NVIDIA BioNeMo Agent Toolkit, starting with these tools:
- MSA Search NIM: https://build.nvidia.com/colabfold/msa-search
- cuEquivariance: https://github.com/nvidia/cuequivariance
- OpenFold3 NIM: https://build.nvidia.com/openfold/openfold3
- Fold-CP for larger assemblies: https://github.com/NVIDIA-BioNeMo/boltz-cp
Acknowledgments
*We’d like to thank our broader NVIDIA team for developing the benchmarks and tools: Franco Pellegrini, Lalit Vaidya, Duc Tran, Tien Pham, Maximilian Stadler, Alejandro Chacon, Quan Vu, Simon Chu, Brian Roland, Dejun Lin, Joseph Chang, Hoa La, Jonathan Mitchell, Vishanth Iyer, Timur Rvachov, Christian Dallago, Christian Hundt. We’d also like to thank the broader OpenFold and OMSF teams for our collaboration and their contributions.*
関連記事
今日のまとめ
AI日報で今日の重要ニュースをまとめ読み