首個(gè)鯤鵬農(nóng)業(yè)科研高性能計(jì)算平臺(tái)助力基因育種與多組學(xué)分析能力提升

在全球科技競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天，推動(dòng)前沿生物技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用成為國(guó)家科技發(fā)展的核心任務(wù)之一。作為中國(guó)農(nóng)業(yè)科研領(lǐng)域的重要機(jī)構(gòu)，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所（以下簡(jiǎn)稱牧醫(yī)所）以其深厚的科研實(shí)力和強(qiáng)大的技術(shù)積淀，以“服務(wù)行業(yè)，服務(wù)政府，服務(wù)社會(huì)”為己任，為我國(guó)“三農(nóng)”事業(yè)發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。

隨著人工智能大模型、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的深入應(yīng)用，科學(xué)研究更加依賴于算力、存力等基礎(chǔ)施的先進(jìn)性。2024年9月20日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院與華為簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，共同推進(jìn)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究。通過構(gòu)建高性能計(jì)算平臺(tái)，為基因組育種、多組學(xué)分析等前沿生物技術(shù)應(yīng)用提供支撐。

新時(shí)代科研創(chuàng)新對(duì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施

提出了更高的要求

隨著基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等多組學(xué)分析技術(shù)的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)處理和計(jì)算能力的需求也在急劇增長(zhǎng)。牧醫(yī)所作為國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的重鎮(zhèn)，堅(jiān)持“四個(gè)面向”，建設(shè)“兩個(gè)一流”，引領(lǐng)我國(guó)畜牧科技跨越發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)畜牧業(yè)現(xiàn)代化提供科技支撐。然而，在日?？蒲泄ぷ髦?，科研人員面臨著以下幾個(gè)主要問題：

大規(guī)模數(shù)據(jù)分析任務(wù)對(duì)大算力需求陡增

基因組數(shù)據(jù)和多組學(xué)數(shù)據(jù)的生成速度和數(shù)據(jù)量極為龐大，傳統(tǒng)的計(jì)算資源和技術(shù)難以滿足如此高強(qiáng)度的數(shù)據(jù)處理和分析需求?？蒲许?xiàng)目復(fù)雜度的提升使得對(duì)計(jì)算能力的需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，而現(xiàn)有的計(jì)算資源無法高效支撐如此大規(guī)模的分析任務(wù)，導(dǎo)致科研效率和成果轉(zhuǎn)化速度受限。如：基因關(guān)聯(lián)分析的場(chǎng)景，傳統(tǒng)的方式采用串行的方式，一個(gè)算法運(yùn)行完之后才能運(yùn)行下一個(gè)算法，分析時(shí)間長(zhǎng)，另外隨著數(shù)據(jù)量暴漲、算法的復(fù)雜度的提升，對(duì)算力的性能要求也越來越高，傳統(tǒng)的算力已無法滿足需求。

多樣化科研需求需要靈活高效的異構(gòu)計(jì)算能力支撐

牧醫(yī)所主要的科研方向涉及多個(gè)領(lǐng)域，包括動(dòng)物遺傳育種、動(dòng)物生物技術(shù)與繁殖、動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料等。這些領(lǐng)域的研究需要多種計(jì)算方式的綜合應(yīng)用，涵蓋從大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)計(jì)算到復(fù)雜的模型仿真等多層次、多維度的需求。如何靈活調(diào)度和高效利用異構(gòu)計(jì)算資源成為一大挑戰(zhàn)。

高效管理、分析并共享海量數(shù)據(jù)

大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要被有效存儲(chǔ)、處理和共享。在數(shù)據(jù)治理方面，傳統(tǒng)的管理方式往往難以保障數(shù)據(jù)的完整性和安全性，也影響了跨團(tuán)隊(duì)、跨學(xué)科的協(xié)作效率。如何高效管理、分析并共享這些海量數(shù)據(jù)，成為提升科研效率的關(guān)鍵。

鯤鵬高性能計(jì)算平臺(tái)迎接挑戰(zhàn)

針對(duì)牧醫(yī)所在高性能計(jì)算方面面臨的挑戰(zhàn)，華為提供了基于鯤鵬的高性能計(jì)算平臺(tái)及解決方案，包括：應(yīng)用優(yōu)化、管理調(diào)度、基礎(chǔ)軟件、基礎(chǔ)硬件能力，幫助牧醫(yī)所實(shí)現(xiàn)了從計(jì)算資源到數(shù)據(jù)管理的全面升級(jí)。

華為高性能計(jì)算解決方案架構(gòu)

鯤鵬+昇騰

構(gòu)建高效的計(jì)算平臺(tái)

華為的高性能計(jì)算平臺(tái)基于自有的昇騰AI計(jì)算芯片，結(jié)合鯤鵬服務(wù)器和全棧存儲(chǔ)解決方案，為科研團(tuán)隊(duì)提供了強(qiáng)大的計(jì)算能力。昇騰AI芯片專為AI和大數(shù)據(jù)計(jì)算設(shè)計(jì)，能夠處理復(fù)雜的生物學(xué)計(jì)算任務(wù)，如基因組序列比對(duì)、多組學(xué)數(shù)據(jù)分析等。鯤鵬服務(wù)器則提供了極高的并行計(jì)算能力，能夠支持大規(guī)模的科學(xué)計(jì)算和高性能數(shù)據(jù)處理。

湖倉一體，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)與治理

華為結(jié)合其云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，幫助牧醫(yī)所搭建了統(tǒng)一的科研數(shù)據(jù)平臺(tái)。該平臺(tái)能夠支持大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、治理與分析，通過數(shù)據(jù)湖和數(shù)據(jù)倉庫的深度整合，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的全生命周期管理。數(shù)據(jù)治理平臺(tái)通過智能化的數(shù)據(jù)清洗、轉(zhuǎn)換和分析技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和利用效率，為科研人員提供了更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。

多瑙管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度與計(jì)算資源靈活應(yīng)用

在科研項(xiàng)目中，不同的科研需求需要使用不同類型的計(jì)算資源。華為高性能計(jì)算平臺(tái)能夠根據(jù)具體需求，靈活調(diào)度計(jì)算資源，優(yōu)化計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行路徑，不僅大幅提升了計(jì)算效率，還降低了資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算能力的最大化利用。

多瑙管理平臺(tái)

科技賦能

助力農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效

農(nóng)業(yè)科研軟件鯤鵬遷移適配后，性能提升明顯

農(nóng)業(yè)科研運(yùn)行軟件過去以X86架構(gòu)為主，2023年開始，華為與牧醫(yī)所科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了深入溝通，在對(duì)科研一線的具體現(xiàn)狀做了充分了解后，依托北京鯤鵬創(chuàng)新中心，陸續(xù)為農(nóng)科院開展生信軟件適配工作，目前已適配了如：stringtie、subread、htslib、Salmom、BWA、hisat2、R、python、plink、STAR、fastp、anaconda、bcftools、gatk、gffread、vcftools、Rstudio、souporcell、GCTA、aspera、DecodeGenetics、busco等數(shù)十款軟件，為農(nóng)業(yè)科研在自主創(chuàng)新路線上奠定了基礎(chǔ)，從可用到好用實(shí)現(xiàn)了飛躍。

加快基因育種，為畜禽新品種研發(fā)提速

基因育種是提高養(yǎng)殖效率、畜產(chǎn)品品質(zhì)和抗病力的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的基因育種研究依賴大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算分析，尤其是在基因組分析方面、計(jì)算能力至關(guān)重要。借助華為高性能計(jì)算平臺(tái)，牧醫(yī)所能夠高效處理海量基因組數(shù)據(jù)，加速了畜禽新品種培育的研發(fā)過程。同時(shí)，平臺(tái)強(qiáng)大的計(jì)算能力還幫助科研人員通過更精確的基因編輯技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了更加精準(zhǔn)的育種目標(biāo)。經(jīng)測(cè)試，在鯤鵬服務(wù)器（2.6GHz）與X86架構(gòu)服務(wù)器（2.6GHz）兩種技術(shù)路線下，并且在軟件、流程、線程數(shù)均保持一致的條件下，鯤鵬服務(wù)器能提升明顯（11%-258%），平均提升60%以上。通過與華為的合作，牧醫(yī)所在多個(gè)研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重要突破，特別是在基因育種和多組學(xué)分析方面，取得了顯著的成果。

大規(guī)模、多維度數(shù)據(jù)分析能力，支撐多組學(xué)分析深入開展

多組學(xué)分析通過對(duì)基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等數(shù)據(jù)整合研究，能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)研究提供更為全面的視角，推動(dòng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。華為高性能計(jì)算平臺(tái)為牧醫(yī)所提供了支持大規(guī)模、多維度數(shù)據(jù)分析的能力，大幅提升了多組學(xué)數(shù)據(jù)的處理速度和準(zhǔn)確度。科研人員能夠在更短的時(shí)間內(nèi)獲得更為全面的科研結(jié)果，為動(dòng)物遺傳資源與育種、動(dòng)物生物技術(shù)與繁殖等提供了更有力的支持。

跨學(xué)科協(xié)作的促進(jìn)

由于農(nóng)業(yè)科研涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，跨學(xué)科的協(xié)作變得至關(guān)重要。華為高性能計(jì)算平臺(tái)通過提供高效的數(shù)據(jù)共享和分析環(huán)境，打破了原有的學(xué)科壁壘，促進(jìn)了各科研團(tuán)隊(duì)之間的合作。無論是在基因組學(xué)、農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)，還是在氣候變化研究等領(lǐng)域，科研人員都能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享和互通，有效地提升了研究的協(xié)同效率。

推動(dòng)農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新和數(shù)字化轉(zhuǎn)型

華為與牧醫(yī)所的合作，不僅解決了農(nóng)業(yè)科研中的計(jì)算和數(shù)據(jù)管理難題，還推動(dòng)了中國(guó)農(nóng)業(yè)科技的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級(jí)。

提升科研效率與創(chuàng)新能力

華為高性能計(jì)算平臺(tái)的引入，提升了牧醫(yī)所科研的效率與創(chuàng)新能力?？蒲腥藛T能夠更加專注于科學(xué)探索，減少了因計(jì)算和數(shù)據(jù)處理帶來的時(shí)間成本。隨著計(jì)算技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，未來更多的農(nóng)業(yè)科研將依托先進(jìn)的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)更快速、更精準(zhǔn)的突破。

科技創(chuàng)新與自立自強(qiáng)

隨著數(shù)據(jù)分析和計(jì)算能力的提升，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和智能化決策在農(nóng)業(yè)科研和生產(chǎn)中的應(yīng)用前景廣闊；動(dòng)物遺傳與育種、動(dòng)物生物技術(shù)與繁殖、動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料等領(lǐng)域的研究與管理將更加高效，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程，有助于加快實(shí)現(xiàn)高水平農(nóng)業(yè)科技自立自強(qiáng)，推動(dòng)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的科技創(chuàng)新。

為全球農(nóng)業(yè)科技提供示范

牧醫(yī)所作為國(guó)家級(jí)社會(huì)公益性畜牧獸醫(yī)綜合科技創(chuàng)新研究機(jī)構(gòu)，華為作為全球高科技企業(yè)的典范，雙方的合作將展現(xiàn)中國(guó)在農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域的創(chuàng)新實(shí)力，共同引領(lǐng)中國(guó)農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新范式轉(zhuǎn)型，智慧賦能中國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)。

未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與合作的深入，華為與牧醫(yī)所將在推動(dòng)農(nóng)業(yè)科技自立自強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)數(shù)字農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型等方面繼續(xù)邁出堅(jiān)實(shí)步伐，為全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)。