IBM Spectrum LSF在生命科學(xué)和生物制藥領(lǐng)域的應(yīng)用

作者簡介：何金池是 IBM 大中華區(qū)科技事業(yè)部資深架構(gòu)師，著有《Kubeflow：云計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)的橋梁》和《大數(shù)據(jù)處理之道》等書，是 Kubeflow、Tekton多個(gè)開源社區(qū)的 Maintainer，親自參與了 IBM 多款產(chǎn)品的研發(fā)，是人工智能、分布式計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理和云原生等相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品的專家。

背景

隨著基因測(cè)序技術(shù)的突破、蛋白質(zhì)組學(xué)，分子動(dòng)力學(xué)研究的深入以及 AI 技術(shù)的崛起，生命科學(xué)與生物制藥領(lǐng)域正經(jīng)歷前所未有的變革。然而，這一進(jìn)程也面臨一些嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，比如海量數(shù)據(jù)的處理，單次全基因組測(cè)序產(chǎn)生超過 200GB 數(shù)據(jù)，蛋白質(zhì)分子動(dòng)力學(xué)模擬需百萬級(jí)計(jì)算步驟。AI 驅(qū)動(dòng)的藥物篩選、基因編輯效率預(yù)測(cè)等任務(wù)依賴高性能計(jì)算（HPC）與 GPU 加速，傳統(tǒng)計(jì)算集群存在資源利用率低、任務(wù)調(diào)度低效、多平臺(tái)數(shù)據(jù)割裂等問題。

如何高效整合算力資源、加速科學(xué)探索呢？IBM Spectrum LSF作為企業(yè)級(jí) HPC 作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)，正在成為破局的關(guān)鍵。

IBM LSF：生命科學(xué)領(lǐng)域的“智能計(jì)算中樞”

IBM LSF 是一款企業(yè)級(jí)分布式作業(yè)調(diào)度平臺(tái)，其核心價(jià)值在于：

資源優(yōu)化：動(dòng)態(tài)分配 CPU、GPU 和內(nèi)存資源，最大化硬件利用率。

任務(wù)智能調(diào)度：支持優(yōu)先級(jí)隊(duì)列、搶占式任務(wù)分配，確保關(guān)鍵任務(wù)（如緊急藥物虛擬篩選）優(yōu)先完成。

多軟件生態(tài)集成：與主流生命科學(xué)工具無縫對(duì)接，形成端到端的計(jì)算解決方案。

在生命科學(xué)和生物制藥領(lǐng)域，LSF 可以和業(yè)界諸多知名的軟件和工具無縫集成，比如基因與蛋白質(zhì)分析領(lǐng)域的 BLAST、HMMER 和 GROMACS 等，以及新藥研發(fā)方面的 Schr?dinger、AutoDock 和 OpenMM 等工具。LSF 可以直接調(diào)度這些工具的作業(yè)，助力解決資源利用率低、任務(wù)調(diào)度復(fù)雜和結(jié)果管理困難等問題，顯著提升了研究效率和數(shù)據(jù)分析能力。LSF 在生命科學(xué)和生物制藥領(lǐng)域應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛。

經(jīng)典案例：LSF 加速 AI 賦能的抗腫瘤藥物研發(fā)

痛點(diǎn)與挑戰(zhàn)

某大型生物信息學(xué)研究機(jī)構(gòu)（以下簡稱“客戶”）致力于基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)研究，日常需要處理大量的生物序列數(shù)據(jù)。客戶使用 BLAS 進(jìn)行序列比對(duì)和分析，但隨著數(shù)據(jù)量的增加，BLAST任務(wù)需要大量的 CPU 和內(nèi)存資源，但客戶的計(jì)算資源分散且利用率低，無法滿足高效處理需求。另外，BLAST 任務(wù)種類繁多，包括 BLASTN、BLASTP 等，手動(dòng)調(diào)度任務(wù)耗時(shí)且容易出錯(cuò)。還有 BLAST 生成的比對(duì)結(jié)果文件分散存儲(chǔ)、缺乏統(tǒng)一管理，導(dǎo)致數(shù)據(jù)檢索和分析效率低下等問題。

解決方案

客戶引入了LSF作業(yè)管理系統(tǒng)，并與 BLAST 進(jìn)行集成，通過 LSF 將分散的計(jì)算資源整合為一個(gè)集群，統(tǒng)一管理和調(diào)度 CPU、內(nèi)存等資源，確保 BLAST 任務(wù)高效運(yùn)行。使用 LSF 提交 BLAST 任務(wù)，支持多種 BLAST 模式（如 BLASTN、BLASTP）和參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)任務(wù)自動(dòng)化調(diào)度。LSF 將 BLAST 任務(wù)的輸出文件集中存儲(chǔ)，并通過LSF命令和瀏覽器界面實(shí)時(shí)監(jiān)控任務(wù)狀態(tài)和歷史記錄，方便數(shù)據(jù)檢索和分析。

實(shí)施效果

LSF 的資源調(diào)度功能使 BLAST 任務(wù)的平均完成時(shí)間縮短了 60%，CPU 利用率從 30% 提升至 80%。通過 LSF 的自動(dòng)化調(diào)度功能，客戶減少了 90% 的手動(dòng)操作時(shí)間，任務(wù)錯(cuò)誤率顯著降低。統(tǒng)一的輸出文件管理和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能使數(shù)據(jù)檢索和分析效率提高了 50%，為研究提供了更強(qiáng)支持。

結(jié)語

從基因解碼到 AI 制藥，從蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)到精準(zhǔn)診療，IBM LSF 正在成為生命科學(xué)創(chuàng)新的“隱形基石”，曾在新冠疫苗的研發(fā)中，幫助相關(guān)企業(yè)極大的提高的研發(fā)效率。同時(shí)，LSF 的應(yīng)用領(lǐng)域正不斷擴(kuò)展，已被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體 EDA 仿真作業(yè)、CAE 工程仿真、氣象預(yù)測(cè)與氣候建模等高復(fù)雜度計(jì)算場(chǎng)景，展現(xiàn)了其在跨行業(yè)高性能計(jì)算中的卓越適應(yīng)性與價(jià)值。它不僅解決了當(dāng)下算力資源管理的痛點(diǎn)，更通過開放架構(gòu)與 AI 融合，為行業(yè)描繪了一個(gè)“智能計(jì)算即服務(wù)”的未來圖景。

關(guān)于 IBM

IBM 是全球領(lǐng)先的混合云、人工智能及企業(yè)服務(wù)提供商，幫助超過 175個(gè)國家和地區(qū)的客戶，從其擁有的數(shù)據(jù)中獲取商業(yè)洞察，簡化業(yè)務(wù)流程，降低成本，并獲得行業(yè)競爭優(yōu)勢(shì)。金融服務(wù)、電信和醫(yī)療健康等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的超過 4000家政府和企業(yè)實(shí)體依靠 IBM 混合云平臺(tái)和紅帽 OpenShift 快速、高效、安全地實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。IBM 在人工智能、量子計(jì)算、行業(yè)云解決方案和企業(yè)服務(wù)方面的突破性創(chuàng)新為我們的客戶提供了開放和靈活的選擇。對(duì)企業(yè)誠信、透明治理、社會(huì)責(zé)任、包容文化和服務(wù)精神的長期承諾是 IBM 業(yè)務(wù)發(fā)展的基石。