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2011年，我國(guó)血液學(xué)名家、中國(guó)科學(xué)院院士、瑞金醫(yī)院終身教授、國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲得者王振義建議，需要在我國(guó)大力開展轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究，提高我國(guó)的醫(yī)療服務(wù)水平，更好地服務(wù)于國(guó)民健康。這一建議得到了國(guó)家重視并由此拉開了我國(guó)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)建設(shè)的帷幕：即開始在上海、成都、北京協(xié)和、*總醫(yī)院、陜西西安布局建設(shè)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究設(shè)施，以求形成覆蓋全國(guó)主要區(qū)域的轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究支撐網(wǎng)絡(luò)。其中，上海這個(gè)“支撐網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)”——轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施(上海)就設(shè)在了上海交通大學(xué)閔行校區(qū)和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院，它2013年7月立項(xiàng)，2016年3月開工，2019年初閔行基地試運(yùn)行，2020年12月瑞金基地轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)大樓啟用，標(biāo)志著中國(guó)首個(gè)國(guó)家級(jí)綜合性轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)大設(shè)施正式落成并投入運(yùn)營(yíng)。這是繼上海光源大設(shè)施、上海蛋白質(zhì)中心后，第三家落戶上海的國(guó)家級(jí)大設(shè)施。

一 、 20年前的一個(gè)概念，為 何如此重要？

轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的概念，源于20多年前。

那是在上世紀(jì)末，NIH(美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院)每年的研究經(jīng)費(fèi)高達(dá)200多億美元。這引發(fā)了一個(gè)問題：發(fā)明了那么多新技術(shù)，積累了那么多新知識(shí)，發(fā)表了那么多高水平論文，為什么人們的健康狀況并沒有得到顯著改善?

這也是轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)要解決的靈魂之問——即，如何將基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究與臨床實(shí)踐更為緊密地結(jié)合起來。轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的初衷，就是要把臨床提出的問題快速轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，而后再將研究項(xiàng)目的成果同樣高效地轉(zhuǎn)化為針對(duì)臨床患者疾病的精準(zhǔn)預(yù)防、診斷、治療及預(yù)后評(píng)估等一系列方案，從而讓新技術(shù)和研究成果更快、也更有的放矢地用于改善人類健康的大業(yè)中。

談到這種雙向高效轉(zhuǎn)化的重要性，瑞金醫(yī)院國(guó)家轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心生信大數(shù)據(jù)平臺(tái)共同負(fù)責(zé)人呂綱曾做過一個(gè)貼切的比喻：“就像小說里的武功高手要練成絕世武功，都要打通任督二脈;而在當(dāng)今的發(fā)達(dá)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也是如此，臨床醫(yī)學(xué)與基礎(chǔ)研究這二脈也亟需打通。”

上海瑞金醫(yī)院國(guó)家轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心的成立，是我國(guó)推進(jìn)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)實(shí)踐的重要一步，它將攻關(guān)方向鎖定在針對(duì)我國(guó)重大疾病診療的重大關(guān)鍵技術(shù)的探索上，其重點(diǎn)在腫瘤、代謝性疾病和心腦血管疾病等領(lǐng)域，旨在研究相關(guān)發(fā)病機(jī)理和規(guī)律，解決疾病的發(fā)生、發(fā)展與轉(zhuǎn)歸中的重大科學(xué)問題。該中心擁有層流研究病房和數(shù)字化能量代謝倉(cāng)，對(duì)臨床研究數(shù)據(jù)可以進(jìn)行智能感知和自主集采;另外，國(guó)家轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心擁有百萬級(jí)別樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，具備高通量測(cè)序、質(zhì)譜和藥篩等組學(xué)研究平臺(tái)。

呂綱

二 、 高性能計(jì)算：轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)實(shí)踐的技術(shù)保障

那么，轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心具體在做什么?舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，與完成病理分析及少量分子檢測(cè)后即可實(shí)施手術(shù)或化療的傳統(tǒng)癌癥治療方案不同，轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)需要對(duì)患者的整個(gè)基因組進(jìn)行分析，以指導(dǎo)藥企及臨床醫(yī)生進(jìn)行更有針對(duì)性的藥物及治療方案研究，從而為患者提供更為精準(zhǔn)、更加有效的診療。

據(jù)呂綱介紹：“轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心工作涉及面廣，包含組學(xué)技術(shù)、生信分析、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究和藥物開發(fā)等各個(gè)方面。生物信息學(xué)研究是轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究的基石，它會(huì)涉及對(duì)蛋白質(zhì)、DNA和RNA等生物分子的研究。”

可見，轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)與數(shù)據(jù)處理和分析息息相關(guān)，包含了生物信息的獲取、加工、儲(chǔ)存、分配、分析、解釋等方方面面。而涉及的數(shù)據(jù)量龐大：每個(gè)文件大小可能達(dá)上百GB，例如，僅單個(gè)人類全基因組測(cè)序分析涉及的數(shù)據(jù)就可能高達(dá)870GB。

如此體量的數(shù)據(jù)，就讓數(shù)據(jù)處理速度變得更為關(guān)鍵，而且中心招募的患者通常病情都比較危急，需要以盡可能快的速度基于患者生信數(shù)據(jù)分析結(jié)果給出針對(duì)性的創(chuàng)新療法。

舉個(gè)例子，在2020年新冠疫情爆發(fā)之初，瑞金醫(yī)院國(guó)家轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心就與上海公衛(wèi)中心進(jìn)行合作，成立了新冠研究課題聯(lián)合攻關(guān)組，對(duì)疫情初期的326例患者，進(jìn)行了病毒基因組、臨床表現(xiàn)、免疫反應(yīng)等數(shù)據(jù)的深度分析和全球數(shù)據(jù)分享。從項(xiàng)目開始到最終相關(guān)研究成果在《Nature》主刊上發(fā)表，總共用了短短的45天時(shí)間。再比如，做面對(duì)超高深度腫瘤全基因組測(cè)序這種超大數(shù)據(jù)的處理，原本需要近7天時(shí)間，而現(xiàn)在只需要7-8個(gè)小時(shí)就可以完成。計(jì)算時(shí)間大幅縮短，意味著病人可以更早得到檢測(cè)信息和分析結(jié)果，更早接受對(duì)應(yīng)的治療方案。

從上述的兩個(gè)實(shí)例來看，瑞金醫(yī)院國(guó)家轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心的很多工作，都是“與死神賽跑”的過程，而且其加速的過程，或者說效率的提升，都與承載生物信息學(xué)研究的IT平臺(tái)，尤其是強(qiáng)大的高性能計(jì)算(HPC)平臺(tái)密不可分。這就是瑞金醫(yī)院國(guó)家轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心構(gòu)建和優(yōu)化其專用生物信息大數(shù)據(jù)平臺(tái)ASTRA的初衷，這是一個(gè)集存、傳、算、用為一體的的定制化平臺(tái)，為轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)實(shí)踐提供了堅(jiān)實(shí)可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

三 、 超算不僅需要更高算力，也要搭配更強(qiáng)存儲(chǔ)

HPC又稱超算，顧名思義，主要是憑借超強(qiáng)算力來解決這個(gè)世界上最復(fù)雜的各類科學(xué)問題。早期的HPC主要應(yīng)用于政府或國(guó)家級(jí)科研機(jī)構(gòu)主導(dǎo)的大型基礎(chǔ)科研項(xiàng)目，如美國(guó)在1960年代曾使用CDC超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行火箭設(shè)計(jì)等工作。再后來，金融、天氣預(yù)測(cè)領(lǐng)域也越來越常見到高性能計(jì)算的身影。

而隨著基于x86架構(gòu)處理器的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化集群的采用，HPC更是走出了象牙塔，開始走入工業(yè)界中的多個(gè)行業(yè)，成為他們開展產(chǎn)品、技術(shù)和服務(wù)創(chuàng)新的重要驅(qū)動(dòng)力?；诖?，人們也繼理論科學(xué)和實(shí)驗(yàn)科學(xué)之后，將高性能計(jì)算稱為科學(xué)的第三支柱。而瑞金國(guó)家轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心對(duì)于HPC的應(yīng)用屬于醫(yī)療和生命科學(xué)領(lǐng)域的實(shí)踐，也是當(dāng)今HPC諸多行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中的重中之重。

那么，在構(gòu)建這樣的HPC系統(tǒng)的過程中，有什么問題是需要格外關(guān)注的呢?

毋庸質(zhì)疑，算力當(dāng)屬其第一關(guān)心的要素。事實(shí)上，這種關(guān)注和投入，所換得的成果也異常豐碩，我們只舉一個(gè)例子就足以說明算力增長(zhǎng)之猛：1996年在全球高性能計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜上首個(gè)打破每秒萬億次浮點(diǎn)計(jì)算紀(jì)錄的ASCI Red系統(tǒng)足足使用了6000顆英特爾奔騰Pro處理器，而現(xiàn)在很多主流芯片產(chǎn)品只需單顆就可以打平和超越這一算力，同時(shí)今天HPC的頂流算力也更是以每秒百億億次浮點(diǎn)計(jì)算為衡量標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室即將采用代號(hào)為Sapphire Rapids的第四代英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器，以及代號(hào)為Ponte Vecchio的英特爾數(shù)據(jù)中心GPU建設(shè)的Aurora(極光)超算系統(tǒng)，性能輸出水平就能達(dá)到每秒兩百億億次，足足是ASCI Red的約200萬倍。

或許正是因?yàn)樗懔μ嵘乃俣瓤斓搅钊穗y以置信，反而讓如今的HPC系統(tǒng)開始普遍面臨“失衡”的問題，即其計(jì)算，與其存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)的性能拉開了非常大的差距。

要知道，任何一個(gè)HPC平臺(tái)的規(guī)劃都是一個(gè)系統(tǒng)性工程，它在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、并行文件系統(tǒng)、存儲(chǔ)陣列等任何方面的欠缺或不足，都可能拖累平臺(tái)的整體性能。換言之，算力爆棚但其他方面拉胯，就很可能讓高算力空轉(zhuǎn)，無法充分釋放其價(jià)值。

這種“失衡”，如今在計(jì)算和存儲(chǔ)間的表現(xiàn)尤為明顯——在算法和算力已取得顯著提升的今天，不論是機(jī)械硬盤，還是固態(tài)盤在讀寫速度和帶寬上都已遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上算力的需求，而距離算力單元更近、性能較強(qiáng)且擔(dān)負(fù)熱數(shù)據(jù)承載重任的內(nèi)存子系統(tǒng)，又很難擴(kuò)展其容量。

這可能就是HPC平臺(tái)算力與存儲(chǔ)性能失衡的根因，它會(huì)引發(fā)“存儲(chǔ)墻”或“數(shù)據(jù)墻”問題，使得算力單元與內(nèi)存及存儲(chǔ)之間就像隔著一堵墻，使其無法得到數(shù)據(jù)的高效供應(yīng)，或影響數(shù)據(jù)高并發(fā)訪問時(shí)的效率。這種傳統(tǒng)內(nèi)存-存儲(chǔ)在架構(gòu)和性能上的瓶頸，會(huì)在業(yè)務(wù)和應(yīng)用層面造成算力投資的浪費(fèi)，影響相關(guān)應(yīng)用負(fù)載或項(xiàng)目的效率。

四 、 破“墻”而出，看ASTRA如何應(yīng)用創(chuàng)新存儲(chǔ)技術(shù)

主修生物信息分析且曾在上海張江的國(guó)家人類基因組南方研究中心工作的呂綱，在基因組學(xué)數(shù)據(jù)分析方面有著豐富經(jīng)驗(yàn)，因而也很清楚HPC平臺(tái)“存儲(chǔ)墻”的存在與影響。他坦言：“通量測(cè)序儀的通量飛躍式發(fā)展，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上的需求一直都是水漲船高。最關(guān)鍵的是要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，CPU的計(jì)算速度很快，但大量時(shí)間用在了數(shù)據(jù)加載上。因此，中間層的存儲(chǔ)系統(tǒng)就顯得非常重要。”

因此，早在一期建設(shè)時(shí)，呂綱就已經(jīng)預(yù)料到自家HPC平臺(tái)對(duì)“大內(nèi)存”的需求。

“當(dāng)時(shí)我們買的是2TB的DRAM內(nèi)存，要用8路的服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)，成本非常高。而使用傲騰持久內(nèi)存，只需要2路服務(wù)器就能讓我們實(shí)現(xiàn)3TB內(nèi)存容量，同時(shí)還顯著降低了成本。”

呂綱提到的傲騰持久內(nèi)存，全稱是英特爾傲騰持久內(nèi)存(Intel Optane Persistent Memory)，它是英特爾專為突破傳統(tǒng)內(nèi)存-存儲(chǔ)架構(gòu)性能瓶頸設(shè)計(jì)開發(fā)的產(chǎn)品，憑借創(chuàng)新的傲騰存儲(chǔ)介質(zhì)，能夠兼?zhèn)浣咏麯RAM內(nèi)存的高性能，以及存儲(chǔ)設(shè)備的大容量和數(shù)據(jù)持久化存儲(chǔ)。

目前，國(guó)內(nèi)外很多行業(yè)的用戶在遇到內(nèi)存容量不足，使用DRAM內(nèi)存進(jìn)行容量擴(kuò)展既難滿足需求(主流DRAM內(nèi)存單條多為32GB和64GB，128GB已經(jīng)是高端產(chǎn)品)，又難承擔(dān)其高昂的成本時(shí)，都開始選擇容量數(shù)倍于DRAM、且成本更優(yōu)的傲騰持久內(nèi)存(單條容量可達(dá)128GB、256GB和512GB)來達(dá)成目的。

然而，僅僅擴(kuò)展內(nèi)存的容量，對(duì)于瑞金醫(yī)院國(guó)家轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心的ASTRA平臺(tái)還是不夠的，它需要的是對(duì)整個(gè)HPC平臺(tái)存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行更為全面的升級(jí)，來更為從容地應(yīng)對(duì)其面臨的“存儲(chǔ)墻”問題，這就包括要讓存儲(chǔ)跟上海量數(shù)據(jù)高速處理的要求、要滿足不同科研和臨床團(tuán)隊(duì)高效并行訪問海量生信數(shù)據(jù)的要求，以及要持續(xù)容納龐大、復(fù)雜、多維且不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)等等。

因此，ASTRA平臺(tái)采用了三級(jí)存儲(chǔ)模式——傳統(tǒng)NAS、傳統(tǒng)并行文件Lustre、基于傲騰持久內(nèi)存的高速存儲(chǔ)DAOS。其中，前兩者用于原始數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及備份，而DAOS針對(duì)的則是性能要求更為嚴(yán)苛的生信計(jì)算。

DAOS(Distributed Asynchronous Object Storage)，中文全稱是分布式異步對(duì)象存儲(chǔ)。其優(yōu)勢(shì)要用幾句話來概括，那就是：它是一種開源軟件定義橫向擴(kuò)展對(duì)象存儲(chǔ)，沒有延續(xù)針對(duì)高時(shí)延、塊存儲(chǔ)的I/O模型，而是選擇了為訪問高細(xì)粒度數(shù)據(jù)提供原生支持的I/O模型;沒有使用高時(shí)延的點(diǎn)到點(diǎn)通信，而是使用了能繞過操作系統(tǒng)的低時(shí)延、高消息速度用戶空間通信;沒有只依賴傳統(tǒng)的存儲(chǔ)設(shè)備，而是充分利用了創(chuàng)新非易失性存儲(chǔ)技術(shù)(包括英特爾傲騰持久內(nèi)存和傲騰固態(tài)盤)，并將更大體量的元數(shù)據(jù)保存在持久內(nèi)存中，將批量數(shù)據(jù)保存在固態(tài)盤中，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)更多熱數(shù)據(jù)的更高效的訪問和處理。

基于這些優(yōu)勢(shì)，DAOS堪稱是對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)和介質(zhì)使用方式的雙重革命，而英特爾也把其視作百億億級(jí)HPC存儲(chǔ)堆棧的基礎(chǔ)。

“DAOS基于高性能存儲(chǔ)硬件傲騰持久內(nèi)存和傲騰固態(tài)盤而設(shè)計(jì)，對(duì)生物信息數(shù)據(jù)分析工作支持比Lustre更好。我們和英特爾的技術(shù)專家一起，進(jìn)行了細(xì)致的性能調(diào)優(yōu)和測(cè)試，而結(jié)果非常理想。”在呂綱看來，DAOS的價(jià)值在于，能夠充分利用傲騰持久內(nèi)存的獨(dú)特性能，從而提供高帶寬、低時(shí)延、高IPOS和非常優(yōu)秀的小文件處理能力。

“基于持久內(nèi)存的DAOS，是一個(gè)非常具有性價(jià)比的方案，”呂綱評(píng)價(jià)道，“就性能而言，它擁有其他方案很難實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。例如，持久內(nèi)存擁有內(nèi)存模式和App Direct模式，因此我們可以按需在兩種模式中進(jìn)行切換，從而滿足我們對(duì)大內(nèi)存和大存儲(chǔ)容量的不同需求。其他一些硬件，雖然帶寬性能提升了，但是畢竟沒辦法做內(nèi)存使用，只能當(dāng)成存儲(chǔ)用，不具備靈活性。而從價(jià)格上來說，持久內(nèi)存的每GB成本也比DRAM要低;另外，DAOS是一個(gè)開源軟件，對(duì)于瑞金醫(yī)院的上手成本相對(duì)較低，只需要支付硬件的錢，免去了一筆很大的軟件授權(quán)費(fèi)用。”

五 、 破墻后再破局，造就IO-500上的生信“頂流”

有了傲騰持久內(nèi)存+DAOS的加持，ASTRA平臺(tái)的存儲(chǔ)性能就開始了 “火箭式”的躥升。

2021年11月，在美國(guó)舉辦的全球超級(jí)計(jì)算大會(huì)(SC21)正式公布了全球最新IO-500榜單。ASTRA第一次打入該榜單，就在10節(jié)點(diǎn)性能排行中位列第八，在總榜單上的排名也位居第十四，而更重要的是，它也是全球生信領(lǐng)域惟一一個(gè)打進(jìn)10節(jié)點(diǎn)榜單前十的系統(tǒng)。

對(duì)于這一成績(jī)，呂綱表示，“以往排名靠前的都是全球知名科研機(jī)構(gòu)，頂級(jí)互聯(lián)網(wǎng)廠商或者國(guó)家級(jí)的超算中心。生信或者醫(yī)院機(jī)構(gòu)可以說是難得一見。在英特爾的這套DAOS方案下，我們成為了第一批吃螃蟹的人。”

對(duì)此，英特爾市場(chǎng)營(yíng)銷集團(tuán)副總裁、中國(guó)區(qū)行業(yè)解決方案部總經(jīng)理梁雅莉也曾公開表示：“我非常高興看到英特爾和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心之間的深度合作帶來的創(chuàng)新成果，我更欣喜地看到，在全球IO500的排名內(nèi)第一次出現(xiàn)生信行業(yè)的客戶代表，而且是我們中國(guó)區(qū)的合作伙伴來突破這個(gè)行業(yè)天花板。”

有趣的是，今年5月底在德國(guó)舉辦的國(guó)際超算大會(huì)(ISC22)在刷新了IO-500榜單后，ASTRA的總排名和10節(jié)點(diǎn)性能排名雖然變成了第19名和第12名，但它依然是全球生信領(lǐng)域HPC中存儲(chǔ)性能的佼佼者。而且特別值得一提的是，新的總榜單上前十名中已經(jīng)有5個(gè)系統(tǒng)，即半數(shù)是采用了DAOS的系統(tǒng)。

由此可見，英特爾傲騰持久內(nèi)存以及基于它的DAOS方案，不僅吸引了瑞金醫(yī)院國(guó)家轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心，也是其他亟需破解存儲(chǔ)墻的用戶們期待已久的良方，它能幫助這些用戶以更優(yōu)的性價(jià)比，或者說更高的投資回報(bào)率來升級(jí)其HPC平臺(tái)的存儲(chǔ)系統(tǒng)，形成更為高效和靈活的分層存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)讀寫訪問機(jī)制，尤其是能讓更多熱數(shù)據(jù)能夠存在更靠近算力的內(nèi)存子系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)整體效率的顯著提升。

事實(shí)上，即便把傲騰持久內(nèi)存從DAOS中“拆”出來單獨(dú)使用，它也是突破HPC，以及AI、大數(shù)據(jù)分析和云環(huán)境中存儲(chǔ)墻的必備利器。以去年發(fā)布的第三代英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展平臺(tái)為例，理論上它已能在一個(gè)雙路服務(wù)器平臺(tái)上最高配備近8TB的傲騰持久內(nèi)存(選擇單條512GB的版本)，如此驚人的容量擴(kuò)展能力，足以應(yīng)對(duì)幾乎所有內(nèi)存容量敏感型的應(yīng)用的需求。因此，在基于傲騰持久內(nèi)存的DAOS成為越來越多HPC用戶沖擊百億億級(jí)系統(tǒng)的存儲(chǔ)基座時(shí)，傲騰持久內(nèi)存也會(huì)成為更多HPC和非HPC客戶突破存儲(chǔ)墻的優(yōu)選方案。

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