【IT168 专稿】为什么有的人吸烟喝酒却长寿?为什么有些疾病，同样的诊断，同样的治疗，却出现完全不同的结果?21世纪将是“个体化医疗”的时代，当人们身体不适的时候，医生采一滴血，通过基因扫描就可以弄清对某种药物敏感的基因型，然后选择适合的药物，患者经过治疗会很快痊愈。然而，现实依然是残酷的，就完成一个人的基因组测序这个最基本的任务来说，成本就高达几十万元，一般老百姓想都不敢想。
12月3日，中科院北京基因组研究所和浪潮集团在京达成战略合作，计划在3年内推出达到国际领先水平的第三代基因测序仪。届时，个体化基因组测序成本有望降低到只有几千元，仅是目前测序成本的1%。
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第三代测序仪开启个体化医疗时代
据了解，当前国内的基因研究领域中，基因测序仪这类关键的核心设备主要是依赖进口，这些设备售价高达50万美元以上，使得引进的设备数量非常有限，而且，往往很难在第一时间拿到非常先进的技术。这样一来，不仅使得国内很多相关科研项目进展缓慢，更重要的是，国外可以借助先进测序工具赢得先机，通过申请基因成果的专利来占领制高点。如美国AMGE公司1997年曾转让一个与神经中枢疾病有关的基因，净赚3.92亿美元。
在中科院北京基因组研究所的实验室里，记者就看到了几台进口的一代和二代基因测序仪。虽然现在广泛应用的第二代测序仪，比第一代产品已经有了很大的提升，其原理是采用合成法测序，以成熟的可控流池、半导体与光电子技术的应用为基础，主要通过对参与生物化学反应的酶类进行分类来获取基因序列，但要完成一个人的基因组测序，还是需要长达6周的时间，花费10万以上美元。而以纳米技术全面应用为标志的第三代测序仪，将不需要任何化学和生物试剂，可以直接通过利用物理学、光电子学、计算科学原理设计的装置直接读出DNA序列，这将带来基因测序领域的历史性变革，可以在10-15分钟内完成一个人的完整基因，成本降至1000美元。目前，美国已有公司宣称要在2013年推出第三代基因测序仪，日本和欧洲也有相关的研发计划。
中科院北京基因组研究所副所长于军研究员告诉记者，我们拟自行研发的第三代基因测序仪与现有的第二代测序仪在原理和效能上有着本质的区别，具有高通量、高精确度、完整性、更加微量化等特点。第三代基因测序仪通过对单分子的操作而减少了繁杂的生物学反应，同时结合了对海量数据的高效率处理技术，形成对基因序列的廉价和快速的解读。如果研发成功，将带动我国生命科学领域的跨越式发展。而且，国产第三代基因测序仪在测序原理、测序读长以及测序成本等方面将能够达到国际先进水平，也会引发基因组科学应用的革命性改变，从而开启个体化医疗时代。“预计未来5年，到2015年，可以做到1000美元完成一个人的基因测序，到2020年，可以实现100美元的基因测试服务。”
信息技术需突破 GPU计算显身手
不过，第三代基因测序仪的研制并非易事，因为它涉及到了生物化学、光学、半导体学及计算科学等多门学科，需要不同行业顶尖技术力量的合作才能完成。以信息技术为例，基因测序所产生和需要进一步分析处理的数据量越来越大，对计算、存储、网络都提出了很高的要求。
比如，第一代测序仪产生的数据为60万字节，用PC机就可以;第二代的数据达到了10亿，需要动用几台刀片服务器来并行处理;到了第三代，由于基因测序片段读长达到1万-5万个碱基对，是二代的25-200倍，而且随着基因测序平民化时代的到来，数据量会进一步激增，时间要求越来越快，普通的服务器集群已经难以胜任，需要用到最新的“CPU+GPU”混合计算架构。
基因组研究所机房里的10万亿次浪潮天梭系统
可见，信息技术的突破是实现基因测序设备国产化、自主化的一个关键环节。就GPGPU计算这一部分来说，由于拥有更多计算内核的GPU(常常达到数百颗)在大并发量且任务相似的并行计算方面具有特别的优势，而CPU则专长于逻辑选择、判断跳转和IO通信计算，二者有机搭配，计算性能可实现从几倍到几百倍的增长。因而，相对于传统的计算集群，“CPU+GPU”计算系统极大提升在基因分析、基因比对等应用的计算性能，同时能降低成本、能耗和占地空间，能实现桌面化超算。然而，由于国内生命科学研究机构以前一直在使用CPU进行计算，其与计算平台相匹配的软件、算法也都是在此基础上进行开发的，导致了采用“CPU+GPU”架构的计算系统，计算性能难以完全释放，应用范围也受到限制。
浪潮在GPU技术的应用方面目前在国内居于领先地位。2009年，浪潮与nVidia建立了战略合作关系，并推出了国内首款采用CPU+GPU协同架构的万亿次桌面超级计算机——“倚天”，单机性能达到4万亿次/秒，已在中科院等科研机构广泛应用。
在此次合作中，双方将组建“中科院北京基因组研究所-浪潮基因组科学联合实验室”，就基因测序仪这一核心装备开展多学科协同的技术攻关，重点突破测序原理、生物芯片设计、试剂国产化、海量数据传输等核心技术难题。同时，联合实验室还将研制“高性能生物信息专用机”，进行“CPU+GPU”新计算架构下生物信息算法的应用开发和优化，重点解决高速I/O优化、计算单元协同优化以及生命科学应用软件的CUDA环境移植等技术难题。
“IT应用融合+重大装备国产化”带来新机会
总之，第三代基因测序仪作为一项科研重大装备，其自主化研制反映出我国在重大装备制造方面，国产化进程正在加速。与此同时，装备制造与信息技术的融合已经成为一种普遍的现象，信息技术已经超出了业务电子化、网络化、大规模数据处理等常见的形式，正在更加深入的融入到各种产业装备中，重大装备制造的数字化、智能化趋势越来越明显。比如“十一五”规划中提到了九大高技术产业专项工程，除去IT产业领域内的工程，其他，如生物医药、民用飞机、卫星、新材料等专项工程，越来越依赖于如高端计算、海量存储、高速互联等信息技术的突破。
联合实验室签约仪式
“这种趋势为国产IT厂商提供了一次难得的‘做大做强’的机遇，这是IT产业下一波的发展机会。” 浪潮集团高级副总裁王恩东谈到，浪潮作为国内知名集集成电路设计、半导体设计、光电子仪器设计、服务器整机、存储和芯片研发能力集于一体的IT厂商，将会积极参与到这些重大装备的国产化和数字化进程中去。“服务器厂商应该顺势而动，加强技术的创新与应用的深化，实现互相促动、滚动式发展。”
其实，看到这一融合趋势的不只是浪潮，以生产芯片著名的英特尔居然早在2003年就开始涉足医疗领域，2005年更是成立了数字医疗事业部，Google和微软也先后涉足电子病历等领域，今年，IBM公司更是一举抛出了“智慧的地球”理念，什么智慧的电网、智慧的交通、智慧的医疗、智慧的城市……大有“谁与争锋”之势，IT早已不是原来的那个IT!
关于中科院北京基因组研究所：
中国科学院北京基因组研究所成立于2003年，曾多次承担973、科技攻关、863、自然科学基金和院知识创新工程等重大科研任务，取得了令人瞩目的成就。如参与完成了国际人类基因组单体型图计划，独立完成了“中国超级杂交水稻基因组计划”、家蚕基因组计划及家鸡基因多态性图谱等一系列重大科学项目，率先在国内完成SARS病毒的基因组测序及诊断试剂研制等。几年来，在国内外高水平学术期刊上共发表SCI论文近二百篇，隶属于该所的“中国科学院基因组科学及信息重点实验室”已经成为国内基因组学领域科研水平最高的实验室之一。
关于浪潮：
浪潮集团则是国内最大的服务器制造商和服务器解决方案提供商，并拥有计算机行业唯一设在企业的国家重点实验室——“高效能服务器和存储技术国家重点实验室”。该实验室以解决高速、海量、高可用性等高效能计算问题为主要方向，承担了863计划重大专项——“浪潮天梭高端容错计算系统研制与应用推广项目”和“863计划海量存储重大专项”。其中，总投资达7.475亿的天梭高端容错项目，致力于突破高端服务器核心技术，并已经在芯片级设计方面取得阶段性成果。到2010年，实验室将陆续推出自主设计的8路服务器、32路高端容错服务器，从而实现国产高端服务器领域零的突破;同时，浪潮国家重点实验室还整合了奇梦达西安研发中心和山东华光电子的技术资源，拥有国内领先的集成电路、半导体和光电子仪器设计开发能力;此外，中科院-浪潮联合实验室，还将和中科院半导体所进行技术合作，将其高水平半导体加工和光电检测能力引入到研发中来。
