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                探寻五千年汗青变迁,海潮AI减速中国考古DNA研讨

                2019-08-01 15:10泉源:中国存储网
                导读:DNA测序比古代DNA也要更庞大。不只读取、比对的数据量更大,测序之前还需求去除DNA片断两头的讨论序列,停止数据洗濯与处置流程。

                中国首座“考古DNA实行室”,借助海潮AI盘算的FPGA产物方案,其对昔人类的全基因组样本(WGS)剖析工夫,从原来的2周延长到近9小时。

                奥秘的古DNA研讨有多“难”?

                上下五千年,各民族在中华大地上生息繁衍、交融变迁,留下了许多未解之谜。为理解开这些谜团,考古学、民族学专家运用多种办法停止了探究。比年来衰亡了一种新办法——古DNA技能,为考古研讨提供了愈加间接无力的证据,开拓了全新的视角。

                探寻五千年汗青变迁,海潮AI减速中国考古DNA研讨

                古DNA是指从现代人类和植物遗骸以及古生归天石中提取的现代生物分子。把现代DNA数据同古代基因库中的数据材料相联合,便可以构建出某终身物门类的零碎发育树,从而进一步讨论人类的演化与迁徙、民族交融、晚期农业开展、动动物的野生与驯化进程等严重题目。

                古DNA研讨需求颠末提取、扩增、测序等步调,比古代DNA研讨要难过多。特殊是提取DNA分子十分困难,由于古生物没有特殊的存储条件,在天然情况下,DNA残缺地保管上去并不容易。DNA贮存在细胞核内,生物体在殒命进程中,细胞就会逐步发作自溶,DNA很快会被降解。别的,在低温和湿润的条件下,DNA本身也容易发作水解、断裂。同时,即使有细胞保管上去也会遇到别的微生物的进驻,所发生的酶类也会把原细胞内的DNA毁坏失;因而,普通殒命的植物和人的遗体,DNA很难完好保管上去。

                这些缘由使得古DNA基因序列片断比古代DNA更短,招致古DNA测序比古代DNA也要更庞大。不只读取、比对的数据量更大,测序之前还需求去除DNA片断两头的讨论序列,停止数据洗濯与处置流程。

                中国首座考古DNA实行室怎样解困难?

                为了更好地维护中国基因资源,推进中华民族基因研讨,1998年,吉林大学考古系与生命迷信学院协作展开了有关古DNA方面的研讨任务,由其中国第一座“考古DNA实行室”完工。内地考古研讨中央人类学实行室与考古DNA实行室协作攻关严重研讨课题,获得了多项天下以致环球抢先的研讨效果。

                探寻五千年汗青变迁,海潮AI减速中国考古DNA研讨

                随着DNA考古研讨的逐渐深化,考古DNA实行室已有超越万例的昔人类、古动动物样本,数目位居天下第一,树立我国内地地域现代DNA基因库的机遇日益成熟。但样本数目添加也带来了新的困难,原有的盘算设置装备摆设已难以在短工夫内完成少量的基因测序数据处置任务。全基因组样天职析(WGS)与全外显子组样本(WES)剖析是现在DNA研讨的不行或缺的两大剖析流程。但是,运用以后以CPU为根底的盘算架构开辟的GATK Best Practices任务流程,需求数天乃至数周才干完成单个集体的基因组变异辨认。

                别的,古DNA基因序列片断更短招致数据处置量更大,对盘算力的要求也更高。数据洗濯、测序进程中,需求用到十分多的差别于古代DNA测序的使用软件,怎样完成这些使用软件的疾速移植与开辟也是一大应战,影响古DNA的研讨速率。

                “我们之前不断用台式任务站做古DNA的测序数据处置,普通完成一次昔人类的全基因组样天职析需求耗时至多两周,进程中还要面对宕机带来的处置流程中缀危害。按这种服从,我们要树立内地地域现代DNA基因库简直是一个不行能完成的义务。”吉林大学内地考古研讨中央副主任蔡大伟传授引见说,“但是,这个题目必需尽快处理,古DNA研讨一刻都不克不及耽搁”。

                海潮为处理这一困难提供了新思绪,作为中国AI盘算的领军企业,海潮专门为基因测序开辟了FPGA减速盘算方案,FPGA具有可编程、并行盘算、低耽误的劣势,可以为基因测序、语音辨认、视频处置、危害办理等AI和HPC场景提供弱小的减速。颠末严苛测试和片面调查,吉林大学考古学院决议和海潮协作,将FPGA技能运用到古DNA基因测序中,打造我国DNA考古范畴的首个FPGA基因测序减速使用方案。

                提速39倍 基因测序处置速率完成奔腾

                新的基因测序减速盘算方案接纳了海潮研发的F10A FPGA减速卡作为中心盘算模块,集成了峰科的GATK基因处置软件。海潮F10A是现在业界支持OpenCL的最高密度、最高功能的FPGA减速设置装备摆设,尺寸为半高半长功耗仅35W,可以实用于数据中央、边沿及桌面等种种庞大盘算情况,每瓦特功能到达42GFlops,可以加载专业的软件算法库。集成的峰科的GATK基因处置软件与规范生物信息学剖析东西完全分歧,包罗GATK Best Practices的一切流程,如BWA、picard和GATK。它完全按照原软件模子,挪用下令与原版本分歧,两头发生与原样本分歧的两头后果文件,方便用户运用和调解。

                探寻五千年汗青变迁,海潮AI减速中国考古DNA研讨

                海潮F10A减速卡

                测试表现,搭载海潮FPGA基因测序减速盘算方案可在9.64 小时内完玉成基因组剖析,48分钟完玉成外显子组剖析,相比基于CPU的方案,基因数据处置速率提拔39倍。

                现在,基于新的基因测序减速盘算零碎,吉林大学考古DNA实行室的科研任务者正在对我国南方地域的草原游牧民族,如匈奴、东胡、鲜卑、乌桓、契丹、蒙古等诸族的人骨以及出土的动动物停止古DNA的提取和研讨任务,并展开我国新疆地域现代“丝绸之路”沿线各民族互相干系、人群间的迁移及稠浊进程、经济文明生存、天然情况与人类互相干系等相干研讨,不时为现代汗青、文明、民族研讨提供新的材料,开辟新的范畴。如蔡大伟传授及其团队正在攻关国度社会迷信基金严重项目“古植物DNA视角下的丝路文明交换研讨”,从古植物DNA动手,复原丝路沿线现代植物群体来源与分散的汗青进程,提醒丝绸之路上工具文明交换的汗青细节。

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                要害词 :
                海潮AI
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