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基因測(cè)序5年增速500倍！摩爾定律怎么辦？
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【導(dǎo)語】：蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)部承擔(dān)著多項(xiàng)國家級(jí)基因研究項(xiàng)目，隨著基因測(cè)序速度的提高，高性能計(jì)算平臺(tái)的要求也水漲船高。為更好的開展基因組研究，蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)部啟用了浪潮高性能計(jì)算平臺(tái)，該平臺(tái)投入運(yùn)行后，測(cè)序數(shù)據(jù)處理量從原來的每天500GB提高到了4TB，從512核到1152核的運(yùn)行效率提高了4倍。 在基因組學(xué)研究中，高通量測(cè)序是最重要的數(shù)據(jù)來源。然而，高通量測(cè)序技術(shù)的飛速發(fā)展，在給基因組學(xué)研究帶來極大便利的同時(shí)，也帶來了“幸福的煩惱”：單次測(cè)序數(shù)據(jù)量的大幅度提升，使得基因組學(xué)研究從原來的“測(cè)的沒有算的快”，變?yōu)槿缃竦摹八愕臎]有測(cè)的快”。眾多基因研究機(jī)構(gòu)對(duì)更高性能的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，產(chǎn)生了更加迫切的需求，蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)部也是其中的一員。 測(cè)序速度五年提升500倍！摩爾定律怎么破？ 最近幾年，高通量測(cè)序技術(shù)的發(fā)展比摩爾定律還要更快，如2005年的Roche 454測(cè)序儀運(yùn)行一次可產(chǎn)生400MB左右的基因序列文件，而2010年的Illumina HiSeq 2000運(yùn)行一次，可以產(chǎn)生200GB的基因序列文件，測(cè)序速度在短短的五年內(nèi)提升了500倍。 以HiSeq 2000測(cè)序儀為例，其單臺(tái)每月能產(chǎn)生6TB數(shù)據(jù)，而大型科研機(jī)構(gòu)可能會(huì)有幾十臺(tái)測(cè)序儀（華大基因在2010年的時(shí)候，就擁有137臺(tái)Illumina HiSeq），每年的數(shù)據(jù)產(chǎn)出量將達(dá)到PB量級(jí)。 這些數(shù)據(jù)產(chǎn)出后，需要不斷增加存儲(chǔ)服務(wù)器容量以滿足需求，下一步就是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如進(jìn)行序列比對(duì)、序列拼接等，需要大內(nèi)存胖節(jié)點(diǎn)機(jī)器才能滿足運(yùn)行需求，尤其針對(duì)序列拼接應(yīng)用。此外，在數(shù)據(jù)處理中如果是多用戶同時(shí)訪問數(shù)據(jù)或訪問存儲(chǔ)介質(zhì)，那么并發(fā)訪問和計(jì)算造成的網(wǎng)絡(luò)壓力、磁盤I/O壓力都可能從不同程度限制應(yīng)用運(yùn)行效率，進(jìn)而影響科研進(jìn)度。 因此，如何從這些海量數(shù)據(jù)中“淘金”，已經(jīng)成為基因組研究中現(xiàn)實(shí)面臨的重大問題，對(duì)大規(guī)模的高性能計(jì)算平臺(tái)提出更高要求，其中對(duì)存儲(chǔ)容量、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)安全性有很高的要求，并且對(duì)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度、內(nèi)存容量、內(nèi)存帶寬、網(wǎng)絡(luò)帶寬等方面也有不同程度的需求。 以摩爾定律增長的計(jì)算速度，該如何應(yīng)對(duì)測(cè)序速度超常規(guī)的增長？ 破題：胖瘦結(jié)合、軟硬一體 在蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)部高性能計(jì)算平臺(tái)的建設(shè)上，浪潮以軟硬一體的高性能計(jì)算集群方案，給出了答案。 蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)部現(xiàn)階段主要運(yùn)行GROMACS、NAMD、LAMMPS、VASP、Gaussian等應(yīng)用軟件，其中前三種屬于MPI編程，后兩種屬于OpenMP編程類型。這兩種編程對(duì)通訊速率、內(nèi)存帶寬的要求不一樣。根據(jù)這些軟件的特點(diǎn)，浪潮制定了胖瘦節(jié)點(diǎn)結(jié)合、基于英特爾®至強(qiáng)®E5-2600系列的高性能天梭TS10000集群系統(tǒng)解決方案，其中瘦節(jié)點(diǎn)采用浪潮NF5270M3服務(wù)器，該服務(wù)器是雙路架構(gòu)并具備智能計(jì)算加速技術(shù)，比較適合GROMACS，NAMD，LAMMPS等適合跨節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的分布式內(nèi)存程序。而在胖節(jié)點(diǎn)方面則采用浪潮NF8520四路服務(wù)器 ，該服務(wù)器具備非常穩(wěn)定的品質(zhì)，最大支持40顆物理核心，80個(gè)線程，支持1TB的超大內(nèi)存空間，比較適合VASP、Gaussian等適合共享大內(nèi)存的程序。這種胖瘦結(jié)合的節(jié)點(diǎn)架構(gòu)，能更好的滿足不同計(jì)算任務(wù)的需求，充分發(fā)揮系統(tǒng)效能。 整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)采用業(yè)界主流的56Gbps全線速Infiniband網(wǎng)絡(luò)，并且采用了模塊化Infiniband交換機(jī)，相對(duì)于小交換機(jī)堆疊網(wǎng)絡(luò)可靠性高，易管理，且能夠節(jié)省1/2數(shù)量的線纜，從而充分滿足系統(tǒng)的高速通信需求。 而存儲(chǔ)系統(tǒng)采用浪潮TSExaStor并行文件系統(tǒng)存儲(chǔ)，TSExaStor是浪潮依托“高效能服務(wù)器和存儲(chǔ)技術(shù)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室”，為滿足高性能科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域?qū)Υ鎯?chǔ)的苛刻要求，自主研發(fā)的高帶寬、高IOPS的統(tǒng)一存儲(chǔ)系統(tǒng)。采用多控制器體系架構(gòu)，具有高度安全性的特性；支持PB級(jí)容量擴(kuò)展，全局統(tǒng)一命名空間，性能隨容量的增加而線性提升；支持圖形化監(jiān)控界面，實(shí)時(shí)監(jiān)控文件系統(tǒng)各種參數(shù)；支持多種備份機(jī)制，定制化的備份策略，可選擇備份到其它文件系統(tǒng)。 除此之外，浪潮自主開發(fā)的智能化、專用定制化的Cluster Engine高性能計(jì)算服務(wù)平臺(tái)，具有更多人性化功能，幫助用戶更快的構(gòu)建系統(tǒng)、更好的應(yīng)用系統(tǒng)、完善的管理系統(tǒng)，提升整體集群的使用效果，保證了用戶良好的應(yīng)用。 浪潮高性能計(jì)算平臺(tái)投入運(yùn)行后，蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)部的測(cè)序數(shù)據(jù)處理量從原來的每天500GB提高到了4TB，從512核到1152核的運(yùn)行效率提高了4倍。 生命科學(xué)是浪潮傳統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域。早在2010年，浪潮HPC就在高教行業(yè)生命科學(xué)細(xì)分市場(chǎng)取得了占有率第一的成績。而基于對(duì)生命科學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)應(yīng)用的理解，以及豐富的異構(gòu)架構(gòu)的應(yīng)用移植經(jīng)驗(yàn)，也使得浪潮在生命科學(xué)領(lǐng)域，獲得了更多像蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)部這樣新用戶的認(rèn)可。 |
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2樓2014-12-30 13:48:08
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