首个鲲鹏农业科研高性能计算平台助力基因育种与多组学分析能力提升

在全球科技竞争日益激烈的今天，推动前沿生物技术的创新应用成为国家科技发展的核心任务之一。作为中国农业科研领域的重要机构，中国农业科学院北京畜牧兽医研究所（以下简称牧医所）以其深厚的科研实力和强大的技术积淀，以“服务行业，服务政府，服务社会”为己任，为我国“三农”事业发展作出了重要贡献。

随着人工智能大模型、物联网、大数据等技术的深入应用，科学研究更加依赖于算力、存力等基础施的先进性。2024年9月20日，中国农业科学院与华为签署战略合作协议，共同推进农业科学研究。通过构建高性能计算平台，为基因组育种、多组学分析等前沿生物技术应用提供支撑。

新时代科研创新对数据基础设施

提出了更高的要求

随着基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等多组学分析技术的迅速发展，农业领域对数据处理和计算能力的需求也在急剧增长。牧医所作为国内农业科学研究的重镇，坚持“四个面向”，建设“两个一流”，引领我国畜牧科技跨越发展，为实现畜牧业现代化提供科技支撑。然而，在日常科研工作中，科研人员面临着以下几个主要问题：

大规模数据分析任务对大算力需求陡增

基因组数据和多组学数据的生成速度和数据量极为庞大，传统的计算资源和技术难以满足如此高强度的数据处理和分析需求。科研项目复杂度的提升使得对计算能力的需求呈指数级增长，而现有的计算资源无法高效支撑如此大规模的分析任务，导致科研效率和成果转化速度受限。如：基因关联分析的场景，传统的方式采用串行的方式，一个算法运行完之后才能运行下一个算法，分析时间长，另外随着数据量暴涨、算法的复杂度的提升，对算力的性能要求也越来越高，传统的算力已无法满足需求。

多样化科研需求需要灵活高效的异构计算能力支撑

牧医所主要的科研方向涉及多个领域，包括动物遗传育种、动物生物技术与繁殖、动物营养与饲料等。这些领域的研究需要多种计算方式的综合应用，涵盖从大规模数据存储、实时计算到复杂的模型仿真等多层次、多维度的需求。如何灵活调度和高效利用异构计算资源成为一大挑战。

高效管理、分析并共享海量数据

大量的实验数据需要被有效存储、处理和共享。在数据治理方面，传统的管理方式往往难以保障数据的完整性和安全性，也影响了跨团队、跨学科的协作效率。如何高效管理、分析并共享这些海量数据，成为提升科研效率的关键。

鲲鹏高性能计算平台迎接挑战

针对牧医所在高性能计算方面面临的挑战，华为提供了基于鲲鹏的高性能计算平台及解决方案，包括：应用优化、管理调度、基础软件、基础硬件能力，帮助牧医所实现了从计算资源到数据管理的全面升级。

华为高性能计算解决方案架构

鲲鹏+昇腾

构建高效的计算平台

华为的高性能计算平台基于自有的昇腾AI计算芯片，结合鲲鹏服务器和全栈存储解决方案，为科研团队提供了强大的计算能力。昇腾AI芯片专为AI和大数据计算设计，能够处理复杂的生物学计算任务，如基因组序列比对、多组学数据分析等。鲲鹏服务器则提供了极高的并行计算能力，能够支持大规模的科学计算和高性能数据处理。

湖仓一体，实现数据的高效存储与治理

华为结合其云计算和大数据技术，帮助牧医所搭建了统一的科研数据平台。该平台能够支持大数据的存储、治理与分析，通过数据湖和数据仓库的深度整合，实现了数据的全生命周期管理。数据治理平台通过智能化的数据清洗、转换和分析技术，提高了数据的准确性和利用效率，为科研人员提供了更为精准的数据支持。

多瑙管理平台，实现智能调度与计算资源灵活应用

在科研项目中，不同的科研需求需要使用不同类型的计算资源。华为高性能计算平台能够根据具体需求，灵活调度计算资源，优化计算任务的执行路径，不仅大幅提升了计算效率，还降低了资源浪费，实现了计算能力的最大化利用。

多瑙管理平台

科技赋能

助力农业提质增效

农业科研软件鲲鹏迁移适配后，性能提升明显

农业科研运行软件过去以X86架构为主，2023年开始，华为与牧医所科研团队进行了深入沟通，在对科研一线的具体现状做了充分了解后，依托北京鲲鹏创新中心，陆续为农科院开展生信软件适配工作，目前已适配了如：stringtie、subread、htslib、Salmom、BWA、hisat2、R、python、plink、STAR、fastp、anaconda、bcftools、gatk、gffread、vcftools、Rstudio、souporcell、GCTA、aspera、DecodeGenetics、busco等数十款软件，为农业科研在自主创新路线上奠定了基础，从可用到好用实现了飞跃。

加快基因育种，为畜禽新品种研发提速

基因育种是提高养殖效率、畜产品品质和抗病力的关键技术之一。传统的基因育种研究依赖大量的实验数据和计算分析，尤其是在基因组分析方面、计算能力至关重要。借助华为高性能计算平台，牧医所能够高效处理海量基因组数据，加速了畜禽新品种培育的研发过程。同时，平台强大的计算能力还帮助科研人员通过更精确的基因编辑技术，实现了更加精准的育种目标。经测试，在鲲鹏服务器（2.6GHz）与X86架构服务器（2.6GHz）两种技术路线下，并且在软件、流程、线程数均保持一致的条件下，鲲鹏服务器能提升明显（11%-258%），平均提升60%以上。通过与华为的合作，牧医所在多个研究领域实现了重要突破，特别是在基因育种和多组学分析方面，取得了显著的成果。

大规模、多维度数据分析能力，支撑多组学分析深入开展

多组学分析通过对基因组学、转录组学、蛋白质组学等数据整合研究，能够为农业研究提供更为全面的视角，推动精准农业的发展。华为高性能计算平台为牧医所提供了支持大规模、多维度数据分析的能力，大幅提升了多组学数据的处理速度和准确度。科研人员能够在更短的时间内获得更为全面的科研结果，为动物遗传资源与育种、动物生物技术与繁殖等提供了更有力的支持。

跨学科协作的促进

由于农业科研涉及多个学科领域，跨学科的协作变得至关重要。华为高性能计算平台通过提供高效的数据共享和分析环境，打破了原有的学科壁垒，促进了各科研团队之间的合作。无论是在基因组学、农业生态学，还是在气候变化研究等领域，科研人员都能够实现数据的实时共享和互通，有效地提升了研究的协同效率。

推动农业科技创新和数字化转型

华为与牧医所的合作，不仅解决了农业科研中的计算和数据管理难题，还推动了中国农业科技的数字化转型和智能化升级。

提升科研效率与创新能力

华为高性能计算平台的引入，提升了牧医所科研的效率与创新能力。科研人员能够更加专注于科学探索，减少了因计算和数据处理带来的时间成本。随着计算技术的进一步发展，未来更多的农业科研将依托先进的技术手段实现更快速、更精准的突破。

科技创新与自立自强

随着数据分析和计算能力的提升，精准农业和智能化决策在农业科研和生产中的应用前景广阔；动物遗传与育种、动物生物技术与繁殖、动物营养与饲料等领域的研究与管理将更加高效，推动了农业现代化的进程，有助于加快实现高水平农业科技自立自强，推动农业领域的科技创新。

为全球农业科技提供示范

牧医所作为国家级社会公益性畜牧兽医综合科技创新研究机构，华为作为全球高科技企业的典范，双方的合作将展现中国在农业科技领域的创新实力，共同引领中国农业科技创新范式转型，智慧赋能中国农业农村现代化建设。

未来，随着技术的不断进步与合作的深入，华为与牧医所将在推动农业科技自立自强、实现数字农业转型等方面继续迈出坚实步伐，为全球农业可持续发展作出更大贡献。