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1、生命科学算力解决方案白皮书生命科学算力解决方案白皮书先进计算产业发展联盟先进计算产业发展联盟20232023 年年 1212 月月I版权声明版权声明本白皮书版权属于先进计算产业发展联盟，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或者观点的，应注明“来源：先进计算产业发展联盟”。违反上述声明者，将追究其相关法律责任。本白皮书版权属于先进计算产业发展联盟，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或者观点的，应注明“来源：先进计算产业发展联盟”。违反上述声明者，将追究其相关法律责任。II编制单位:先进计算产业发展联盟参编单位:联想(北京)信息技术有限公司参编人员:郝常杰、崔

2、吉顺、陈齐旺、田亚宇III前言前言生命科学作为 21 世纪最重要的科学分支之一，高性能计算在生命科学的研究和发展中起着非常重要的作用。从蛋白质结构中的应用辅助药物设计、疫苗研发，到生物信息学中的应用辅助基因数据处理与分析，再到提供精准医疗服务于肿瘤治疗、产前筛查和肺病筛查等医疗技术，高性能计算在生命科学研究中扮演着十分重要的角色。同时，由于基因测序技术的飞速发展，人类发现的基因序列的数目按照指数级的增长，对于如此数量庞大的基因进行同源性搜寻，比对，分析，遗传发育分析等，也一定伴随着巨大的数据处理量和并行计算量。同时，由于生命科学的研究对象往往是蛋白质和 DNA 的大分子，对这些分子的三维结构的

3、预测，动力学特性、热力学特性、在生命过程中如何发生作用，这些科学问题也要借助于高性能计算机。所以高性能计算机在生命科学研究中，应用非常广泛，扮演着越来越重要的角色。随着这几年人工智能（AI）技术的兴起，高性能计算中逐渐出现了 AI for Science，科学智能极大地提升了生命科学领域的计算效率，尤其在算法软件于模型、新范式下的实验表征系统(材料)、AI4S数据库与知识库、新范式下的计算成像系统(生物医学)等方向，大大加速了这些方向的研究和推进。随着生命科学行业的研究问题越来越复杂，加上 AI 的不断投入，构建科学智能平台成为满足生命科学行业日益暴涨的算力需求的基本基础架构。本白皮书概述了生

4、命科学的研究领域，包括基因组学、生物信息IV学、蛋白质结构研究、分子动力学、计算机辅助药物设计等研究领域。进一步从人工智能加速生命科学的研究方面，阐述了人工智能技术在基因数据分析和医疗识别中的应用。以联想在生命科学高性能计算解决方案和人工智能解决方案为例，介绍了平台的组成框架。并介绍了生命科学的主要软件和机器应用特点。最后列举了联想高性能计算在医院组学和深度影像学习平台的案例。V目录目录一、生命科学研究领域.1（一）基因组学.2（二）生物信息学.2（三）蛋白质结构研究.4（四）分子动力学模拟方法.8（五）计算机辅助药物设计.9二、生命科学算力解决方案.12（一）高性能计算生命科学解决方案.12

5、1、生命科学的主要软件和特点.122、生命科学高性能计算参考架构.14（二）人工智能加速生命科学解决方案.191、AI 发展加速生命科学的应用.192、联想人工智能解决方案框架.21（三）生命科学算力平台解决方案.21三、生命科学参考客户案例.24（一）某医院组学和深度影像学习平台.241、学科平台需要支撑运行的软件.25VI2、算力平台建设要求和主要特点.26（二）北京大学算力平台“未名生科一号”.28VII图 目 录图 目 录图 1 生命科学高性能计算架构.14图 2 AI 应用加速行业转型.19图 3 AI 加速生命科学领域应用.20图 4 联想人工智能算力框架.21图 5 联想生命科学

6、算力平台.22图 6 组学分析系统架构.28图 7“未名生科一号”.29图 8 水合离子的微观结构和幻数效应.31图 9 DNA 复制起点识别复合物 3-分辨率结构.31图 10“未名生科一号”节点使用率和用户作业数.32图 11“未名一号”节点使用率和用户作业数.32图 12 兄弟院校前来参观交流.33VIII表目录表目录表 1 主要生命科学学科的工作负载.13表 2 学科平台需要支撑运行的软件.251一、生命科学研究领域一、生命科学研究领域生命科学领域是对微生物、动物和植物等所有生物进行研究的科学领域，同时也包括生物伦理学等相关领域。生命科学的研究是为了提高人类的生活品质。目前生命科学已经