這場生物化學(xué)界跨世紀(jì)愛情長跑，浪漫到無法超越！

2017年10月4日

在瑞典皇家科學(xué)院商議下

最終決定將諾貝爾化學(xué)獎頒發(fā)給

Jacques Dubochet（University of Lausanne，Switzerland）

Joachim Frank（ColumbiaUniversity，New York，USA）

Richard Henderson（MRC Laboratory of MolecularBiology，Cambridge，UK）

以表彰他們對于冷凍電子顯微鏡技術(shù)研究發(fā)展所作出的貢獻(xiàn)

20世紀(jì)80年代，Jacques Dubochet成功將水玻璃化——通過特殊方法，將水進(jìn)行迅速冷卻，使其無法結(jié)晶便固化在生物樣品周圍，使生物分子即使在真空中也可以保持其自然形狀。

1990年，Richard Henderson成功地使用電子顯微鏡來以原子分辨率產(chǎn)生蛋白質(zhì)的三維圖像。

Joachim Frank則開發(fā)了一種圖像處理方法，對電子顯微鏡的模糊二維圖像進(jìn)行分析和合并，合成出明顯可辨的三維結(jié)構(gòu)。

由于他們的貢獻(xiàn)，冷凍電鏡技術(shù)得以基本成形。而從抗生素的蛋白質(zhì)到新冠病毒滅活后的真實形貌，生物化學(xué)的爆炸性發(fā)展，均得益于冷凍電鏡與高性能計算的攜手。

有人說，高性能計算的浪漫在于如何設(shè)計最高性能算法和最高性能硬件來解決一個給定問題。

那么我想說，冷凍電鏡的浪漫一定在于和高性能計算一起，以可視化圖像帶領(lǐng)我們走進(jìn)微觀世界。

冷凍電鏡初窺RNA轉(zhuǎn)錄

Relion作為專門為冷凍電鏡設(shè)計的圖像處理軟件，采用經(jīng)驗貝葉斯方法改進(jìn)冷凍電鏡中的3D重建或2D類平均值，可通過冷凍電鏡數(shù)據(jù)的單顆粒分析來優(yōu)化大分子結(jié)構(gòu)，具有很好的性能和易用性，受到廣泛關(guān)注。然而巨大的算力需求量，大大限制了Relion的應(yīng)用。

第三代英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器作為英特爾2021年面向單雙路系統(tǒng)交出的最新答卷，為各行各業(yè)的HPC實際應(yīng)用帶來出色性能。與上一代產(chǎn)品相比，依靠創(chuàng)新內(nèi)核架構(gòu)和更高內(nèi)存帶寬（從上一代六通道升級到了八通道，同時配備更快的DDR4內(nèi)存產(chǎn)品），第三代英特爾 至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器大大提升了計算密集型工作負(fù)載的性能，可為Relion帶來61%的性能提升。

同時，Relion結(jié)合自身程序的算法結(jié)構(gòu)及性能瓶頸，針對GPU細(xì)粒度體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了程序優(yōu)化，基于GPU的Relion相比于單CPU，整個應(yīng)用的加速比超過36倍，計算密集型算法的加速比達(dá)到75倍以上，具有良好的可擴(kuò)展性。

由超益集倫最新推出的高性能工作站——ServMAX TR40-X3，搭載雙路3rd Gen Intel Xeon Scalable系列處理器或瀾起津逮系列處理器，最高可達(dá)80核，能夠快速高效地運行和處理各種復(fù)雜、嚴(yán)苛應(yīng)用程序。同時，其可配備4張高性能GPU，并且支持PCIe 4.0協(xié)議，提供超強(qiáng)算力。8塊大容量SATA/SAS/NVMe熱插拔硬盤，更可輕松滿足客戶對數(shù)據(jù)存儲的需求。

為進(jìn)一步驗證第三代英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器及高性能GPU對Relion的加速效果，我們基于一套10萬個Plasmodium falciparum 80S ribosome蛋白顆粒的Benchmark數(shù)據(jù)對搭載雙路3rd Gen Intel Xeon Silver 4314 CPU及4張NVIDIA高性能GPU的ServMAX TR40-X3進(jìn)行Class2D 及Class3D性能測試。

在測試中，當(dāng)進(jìn)程數(shù)為5時，2D任務(wù)總用時為207min，CPU任務(wù)耗時僅占3.15%，3D任務(wù)總用時為50min，CPU任務(wù)耗時僅占30.98%；當(dāng)進(jìn)程數(shù)為9時，2D任務(wù)總用時為154min，CPU任務(wù)耗時僅占4.02%，3D任務(wù)總用時為46min，CPU任務(wù)耗時僅占32.37%，性能表現(xiàn)十分優(yōu)異。