新聞網(wǎng)訊 近日，計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院生物信息團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了高性能算法Coordinated Meta-Storms（CMS），首次實(shí)現(xiàn)了百萬(wàn)級(jí)微生物組的距離矩陣計(jì)算。該成果近日在生物信息學(xué)高水平期刊Bioinformatics發(fā)表，碩士研究生王民安、博士研究生高浩為共同第一作者，蘇曉泉教授為通訊作者。該研究獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、光合基金、山東省泰山學(xué)者計(jì)劃和青創(chuàng)引育計(jì)劃的支持。
圖1. CMS的多GPU并行架構(gòu)和性能表現(xiàn)。（A）CMS通過(guò)負(fù)載均衡協(xié)調(diào)機(jī)制對(duì)計(jì)算任務(wù)進(jìn)行分解，將子塊任務(wù)盡可能均勻地分配至多個(gè)GPU，確保高并行計(jì)算效率。（B）多GPU的CMS與64核CPU及單GPU計(jì)算時(shí)間對(duì)比。在計(jì)算20萬(wàn)例微生物組樣本的距離矩陣時(shí)， CPU需要近18天，單GPU也需要超過(guò)11小時(shí)，而CMS僅需1.5小時(shí)，計(jì)算速度較CPU提升了280倍。
微生物組（亦稱(chēng)“菌群”）在人體健康、生態(tài)環(huán)境及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要的角色。微生物組之間的距離矩陣是其研究和應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，然而海量數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算吞吐量提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。當(dāng)前主流的計(jì)算策略大多基于CPU或者單個(gè)GPU，在處理超大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)，面臨著顯存容量有限以及并行能力不足兩大核心瓶頸，嚴(yán)重制約了科研效率與研究深度。
為攻克微生物組距離矩陣計(jì)算難題，生物信息研究組成功研發(fā)了CMS高性能算法。該算法首創(chuàng)多GPU負(fù)載協(xié)調(diào)機(jī)制以最大化并行性能，其自適應(yīng)數(shù)據(jù)分塊策略解決了內(nèi)存限制問(wèn)題，并通過(guò)非遞歸內(nèi)核重構(gòu)進(jìn)一步提升了計(jì)算效率。同時(shí)，CMS擁有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，原生支持國(guó)產(chǎn)DCU加速卡，擺脫了對(duì)國(guó)外同類(lèi)型設(shè)備的依賴(lài)。該成果不僅有力推動(dòng)了從核心軟件到算力平臺(tái)的全國(guó)產(chǎn)化生態(tài)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了核心軟件與國(guó)產(chǎn)計(jì)算平臺(tái)的深度融合與協(xié)同發(fā)展，更為我國(guó)生物信息學(xué)領(lǐng)域的自主創(chuàng)新與可持續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
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