國內(nèi)首個(gè)二代基因測序FPGA加速方案落地騰訊云

伴隨著基因測序技術(shù)的快速發(fā)展，基因數(shù)據(jù)的生成呈現(xiàn)指數(shù)級增長，對分析能力提出更高要求。近日，騰訊云正式推出國內(nèi)首個(gè)基于自研FPGA極光技術(shù)的NGS加速方案，極大提升人類全基因組分析效率，有效改善基因領(lǐng)域數(shù)據(jù)分析速度慢、效率低等問題。

騰訊云全面賦能改善基因領(lǐng)域難題

基因測序作為一種新型的基因檢測技術(shù)，在生命科學(xué)研究中扮演著十分重要的角色，行業(yè)的蓬勃發(fā)展催生了生物基因數(shù)據(jù)爆炸式的增長，使得基因企業(yè)、科學(xué)工作者等面臨新的挑戰(zhàn)。日前，騰訊云表示將全面開放各項(xiàng)IT能力，在傳輸、存儲、計(jì)算、管理和洞察等方面，助力生物基因領(lǐng)域全面快速發(fā)展。

首先，面對基因數(shù)據(jù)量的傳輸難題，騰訊云建成國內(nèi)最全的28線BGP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，使基因客戶快速穩(wěn)定地上傳和下載數(shù)據(jù)，同時(shí)還能幫助基因企業(yè)客戶做數(shù)據(jù)上云，通過一鍵分發(fā)的功能讓基因企業(yè)將數(shù)據(jù)傳遞給科研用戶。其次，騰訊云通過提供文件存儲、對象存儲和歸檔存儲等存儲服務(wù)，滿足基因領(lǐng)域客戶面對不同的數(shù)據(jù)使用場景和需求，而針對最核心的計(jì)算環(huán)節(jié)，騰訊云提供超算云服務(wù)，使科研工作者和基因企業(yè)能夠選擇多種高性能的虛擬機(jī)和物理機(jī)來加速基因計(jì)算。

除此之外，騰訊云為基因行業(yè)專門開發(fā)了一體化的數(shù)據(jù)管理平臺“騰訊云雙螺旋PAAS平臺”，滿足基因用戶傳、存、算、管等需求。據(jù)了解，騰訊云雙螺旋平臺具有三大特點(diǎn)。首先是快速分析，通過在雙螺旋上使用FPGA來加速基因分析過程，對二代測序，已經(jīng)可以節(jié)省90%的時(shí)間，后續(xù)會繼續(xù)推出三代加速的服務(wù)。其次是節(jié)省費(fèi)用，依托雙螺旋的精準(zhǔn)調(diào)度能力，雙螺旋會在計(jì)算過程中按需調(diào)度最匹配的算力執(zhí)行任務(wù)，避免出現(xiàn)CPU或內(nèi)存大量空跑情況。第三是人工智能技術(shù)的賦能，已在精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域落地。例如，在廣東，AI騰訊覓影在幫助醫(yī)生做早期食道癌的篩查，對一張內(nèi)鏡檢查影響，覓影AI可以在4秒內(nèi)做出診斷，準(zhǔn)確率達(dá)到90%。

（圖注：騰訊雙螺旋PAAS平臺特點(diǎn)示意圖）

NGS加速方案，提升人類全基因組分析效率與分析準(zhǔn)確率

騰訊云基因團(tuán)隊(duì)近日推出的基于自研FPGA極光異構(gòu)系統(tǒng)的NGS加速方案，可將人類全基因組分析從30小時(shí)優(yōu)化到2.8小時(shí)。在實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員采用一份30倍測序深度的人類全基因組FASTQ文件（NA12878），分別在業(yè)界常用的通用高性能服務(wù)器與搭載FPGA極光異構(gòu)系統(tǒng)的服務(wù)器上進(jìn)行了對比測試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，騰訊NGS加速方案加速比超過10倍。

（圖1：傳統(tǒng)計(jì)算系統(tǒng)與騰訊極光異構(gòu)系統(tǒng)對比）

據(jù)了解，傳統(tǒng)的計(jì)算系統(tǒng)通過采用多個(gè)高端CPU搭建HPC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了縮短時(shí)間的目的，但這樣也使得成本增加，基因企業(yè)規(guī)模受限。而騰訊極光異構(gòu)系統(tǒng)在提供卓越性能的同時(shí)，還能進(jìn)一步降低基因客戶的成本。它采用自研核心技術(shù)極光（Aurora Technology），通過以下三個(gè)方面整體優(yōu)化傳統(tǒng)的分析和計(jì)算流程。

第一，搭載BWA_MEM和Variant Calling專用硬件算法核。采用業(yè)界頂尖的大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)，把算法性能提升了一個(gè)臺階。

第二，算法級優(yōu)化內(nèi)存訪問的方式。

第三，IO瓶頸導(dǎo)致系統(tǒng)性能無法提升一直是基因二代分析流程的一大痛點(diǎn)，通過系統(tǒng)和算法級別優(yōu)化以及異構(gòu)加速大幅降低IO帶寬需求。

（圖注：騰訊極光技術(shù)原理解析）

在極大提升分析效率的同時(shí)，極光技術(shù)還保證了優(yōu)異的分析準(zhǔn)確率，與傳統(tǒng)軟件分析準(zhǔn)確率基本一致。研究人員將通用服務(wù)器和極光異構(gòu)系統(tǒng)上計(jì)算得出的分析結(jié)果，上傳PrecisionFD網(wǎng)站進(jìn)行比對。比對結(jié)果如下圖2和圖3所示：

（圖2：通用處理器測試結(jié)果）

（圖3：極光異構(gòu)系統(tǒng)測試結(jié)果）

滿足不同場景應(yīng)用需求，助力基因客戶商業(yè)成功

騰訊云依托在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)和積累，能夠滿足不同類型基因用戶的不同場景和模式需求的能力，使其生物基因生態(tài)解決方案已成為眾多生命科學(xué)領(lǐng)域用戶的優(yōu)先選擇。這其中就包括諾禾致源、碳云智能、格致基因等，騰訊云，正在以智能解決方案推動(dòng)著生命科學(xué)行業(yè)的發(fā)展。

致力于生命科學(xué)研究與人類健康領(lǐng)域的諾禾致源，利用騰訊超算云精準(zhǔn)匹配所需資源，滿足其在基礎(chǔ)科研、基因數(shù)據(jù)處理及臨床應(yīng)用等不同應(yīng)用場景和模式下對數(shù)據(jù)處理、存儲和傳輸?shù)膰?yán)苛要求，幫助科研和醫(yī)療人員更專注解決科學(xué)和臨床問題。

碳云智能作為生命科學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新公司，依托騰訊云在互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等方面的優(yōu)勢，以及彈性、高效、低延遲的在線計(jì)算和大數(shù)據(jù)處理領(lǐng)先能力，建立了一個(gè)包括生物樣本管理系統(tǒng)、分析計(jì)算系統(tǒng)、用戶數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等在內(nèi)的數(shù)字生命的大數(shù)據(jù)平臺。運(yùn)用人工智能技術(shù)分析、處理數(shù)據(jù)、尋找碳基生命的硅基未來，幫助每一個(gè)人管理數(shù)字生命健康。

針對基因科學(xué)領(lǐng)域企業(yè)伙伴的不同量級，騰訊云不斷推出高性價(jià)比產(chǎn)品滿足需求。格致基因合伙人黃柯表示，騰訊云提供的黑石實(shí)體結(jié)合虛擬機(jī)彈性計(jì)算的方案，很好地滿足了低成本高性能計(jì)算需求，在生命科學(xué)新領(lǐng)域提供高質(zhì)量服務(wù)，為初創(chuàng)公司提供了良好的解決方案。

騰訊云一直致力于為客戶提供行業(yè)領(lǐng)先的解決方案，助力客戶解決所遇到的瓶頸。在基因科學(xué)領(lǐng)域，騰訊云表示未來將會推出更多服務(wù)，進(jìn)一步降低基因客戶的成本和提升整體性能。據(jù)了解，騰訊云極光FPGA加速能力將通過雙螺旋產(chǎn)品進(jìn)行開放，目前已開放體驗(yàn)測試預(yù)約，提前預(yù)約，先人一步體驗(yàn)，享受更多優(yōu)惠。

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