冷凍電鏡，全稱冷凍電子顯微鏡技術(shù)（Cryo-Electron Microscopy），是應(yīng)用冷凍固定技術(shù)，低溫下使用透射電子顯微鏡觀察樣品的顯微技術(shù)，可實現(xiàn)直接觀察液體、半液體及對電子束敏感的樣品，如生物、高分子材料等。冷凍電鏡的出現(xiàn)，不僅解決了生物分子結(jié)構(gòu)解析中的許多難題，還改變了許多生物領(lǐng)域的研究方式，在細胞生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、遺傳學(xué)等大部分領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。

　　目前主要使用的幾種冷凍電子顯微學(xué)結(jié)構(gòu)解析方法包括電子晶體學(xué)、單顆粒重構(gòu)、電子斷層三種。不同的方法下數(shù)據(jù)產(chǎn)量、分析方法、使用軟件也不相同。主要應(yīng)用包含冷凍電鏡數(shù)據(jù)自動收數(shù)據(jù)軟件，自動化預(yù)處理軟件、單顆粒應(yīng)用軟件，Tomo應(yīng)用軟件等。通用的冷凍電鏡數(shù)據(jù)分析平臺多是硬件的堆砌，通用硬件，存儲系統(tǒng)上部署操作系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件一般由用戶自行配置，通用方案缺乏對業(yè)務(wù)系統(tǒng)的整體理解，尤其是缺乏應(yīng)用軟件的理解。

　　為此，【榮聯(lián)科技(002642)、股吧】（002642）集團推出智能化冷凍電鏡數(shù)據(jù)分析平臺，打通下機數(shù)據(jù)采集、傳輸壁壘，使數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)可視化、二維和三維分析更加高效。

　　智能化冷凍電鏡數(shù)據(jù)分析平臺為用戶提供了全套的冷凍電鏡數(shù)據(jù)分析計算、存儲解決方案。用戶通過冷凍電鏡和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)具備了完全的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)分析能力。該平臺可以直接接入和控制冷凍電鏡光學(xué)系統(tǒng)，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集到二維和三維生物結(jié)構(gòu)的分析。系統(tǒng)的設(shè)計著眼于各種規(guī)模的冷凍電鏡設(shè)施，針對多用戶場景下規(guī)?；睦鋬鲭婄R數(shù)據(jù)計算實踐中的痛點問題，支持全自動化的數(shù)據(jù)分析流程和實時數(shù)據(jù)質(zhì)量信息反饋，具有完備的、可視化的數(shù)據(jù)管理以及計算歷史追蹤和統(tǒng)計分析能力。

　　圖：冷凍電鏡數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)

　　冷凍電鏡數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)包含基礎(chǔ)資源層、系統(tǒng)層、應(yīng)用層（即軟件層）和用戶層四個層次?；A(chǔ)資源層針對冷凍電鏡數(shù)據(jù)的特點，提供最優(yōu)化的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計；系統(tǒng)層實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、自動化流程管理和作業(yè)調(diào)度；應(yīng)用層以冷凍電鏡應(yīng)用軟件為核心，進行數(shù)據(jù)的分析和處理，用戶層提供強大的用戶監(jiān)控和遠程操控能力。

　　核心功能

　　基礎(chǔ)資源層：該部分接收冷凍電鏡的下機數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在基礎(chǔ)資源層上完成計算、存儲、結(jié)構(gòu)解析。一般依據(jù)下機數(shù)據(jù)的通量，以及數(shù)據(jù)處理的時效性精準匹配所需資源量。下機數(shù)據(jù)會轉(zhuǎn)至工作站進行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，工作站預(yù)處理后會將結(jié)果數(shù)據(jù)存放于集中存儲（用于后續(xù) 2D、3D 分析），同時也可單獨配置源數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，用于源數(shù)據(jù)備份。在整個的數(shù)據(jù)傳輸或是計算、存儲過程中，數(shù)據(jù)對存儲的帶寬以及IOPS 有不同的要求，對于數(shù)據(jù)傳輸所需要的網(wǎng)絡(luò)帶寬也不同，由于應(yīng)用程序的多樣性，對于計算系統(tǒng)有不同的資源需求。均需依據(jù)具體的冷凍電鏡的型號以及相機型號、數(shù)據(jù)處理時效性的要求，精準匹配方案。數(shù)據(jù)的預(yù)處理在 GPU 工作站完成。2D、3D 的處理采用 CPU/GPU 異構(gòu)的計算集群方案。冷凍電鏡數(shù)據(jù)分析平臺支持全自動化的數(shù)據(jù)分析流程和實時數(shù)據(jù)質(zhì)量信息反饋，具備計算分析、數(shù)據(jù)存儲能力。

　　系統(tǒng)層：在系統(tǒng)層，進行物理資源的統(tǒng)一管理，作業(yè)管理，流程管理，用戶管理，數(shù)據(jù)管理，包含集群管理軟件、調(diào)度軟件、編譯軟件等。

　　應(yīng)用層：冷凍電鏡的數(shù)據(jù)處理包含數(shù)據(jù)采集、圖像預(yù)處理、顆粒挑選、二維重構(gòu)、三維重構(gòu)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等過程，通過多年在冷凍電鏡領(lǐng)域的積累以及技術(shù)的布局，榮聯(lián)科技初步建立了一套比較完整的冷凍電鏡領(lǐng)域的應(yīng)用系統(tǒng)，通過采用統(tǒng)計推斷和深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，使整個計算過程擺脫對用戶干預(yù)的依賴，實現(xiàn)自動化處理。

　　用戶層：采用基于Web 的云桌面系統(tǒng)，通過 URL 訪問，提供多用戶同時在 線進行計算作業(yè),通過Web Linux 桌面進行業(yè)務(wù)軟件的作業(yè)提交、作業(yè)監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理，支持用戶通過 Web Linux 桌面實時處理 3D 性能加速的 Linux 桌面應(yīng)用。

　　方案特點

　　精準匹配、極速優(yōu)化：平臺不是硬件、軟件的簡單堆砌，結(jié)合冷凍電鏡的類型以及數(shù)據(jù)類型、應(yīng)用特點匹配最優(yōu)的計算單元、網(wǎng)絡(luò)單元、存儲單元；深入挖掘應(yīng)用特征，從硬件層、軟件層、算法層對系統(tǒng)以及軟件進行優(yōu)化，平臺具備最優(yōu)性能。

　　易維護、可擴展：整體系統(tǒng)的基礎(chǔ)環(huán)境由高性能計算集群以及分布式存儲系統(tǒng)構(gòu)成，系統(tǒng)通過xCAT 進行管理和維護，使用 Slurm 系統(tǒng)進行多種異構(gòu)資源的管理和調(diào)動。隨著數(shù)據(jù)量以及業(yè)務(wù)量的激增，平臺可快速在線擴容。

　　收集自動化、分析模塊化：冷凍電鏡數(shù)據(jù)平臺主要功能是數(shù)據(jù)采集、存儲以及數(shù)據(jù)解析。然而，冷凍電鏡的數(shù)據(jù)采集和分析處理仍然是一個費時費力的工作，極大地限制著該項技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。為解決這一問題，榮聯(lián)攜手合作伙伴、開發(fā)設(shè)計了一整套冷凍電鏡數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，包括從數(shù)據(jù)采集到最終的三維重構(gòu)。在開發(fā)中引入了新算法思路，支持自動化的數(shù)據(jù)收集、處理分析，包括首次引入和實現(xiàn)基于深度學(xué)習(xí)的蛋白顆粒識別挑選，基于粒子濾波的高誤差容忍度的三維重構(gòu)參數(shù)搜索算法。整套系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動化采集，將眾多的漂移校正、顆粒挑選、2D、3D 等軟件按照類別進行模塊化封裝，方便安裝以及配置，讓用戶開機即用。

　　整體而言，為了方便數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)解析，推動冷凍電鏡的發(fā)展和應(yīng)用，方案中引入自動化收集系統(tǒng)、智能化解析系統(tǒng)，實現(xiàn)開機即用，無需重復(fù)性的軟件編譯，讓科研工作者將大量精力集中在科學(xué)研究中。

　　操作可視化：通過URL訪問Web的云桌面系統(tǒng)，通過 Web Linux 桌面進行Relion/MotionCorr2/Pymol/Coot/CCP4 等業(yè)務(wù)軟件的作業(yè)提交、作業(yè)監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理，支持用戶通過 Web Linux 桌面實時處理 3D 性能加速的Linux 桌面應(yīng)用。

　　目前，榮聯(lián)冷凍電鏡數(shù)據(jù)分析平臺解決方案主要應(yīng)用于生命科學(xué)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析工作線中，已成功服務(wù)于清華大學(xué)、西湖大學(xué)等客戶，積累了豐富的行業(yè)經(jīng)驗。

　　生物醫(yī)療領(lǐng)域，榮聯(lián)立足生命科學(xué)，堅持自主研發(fā)和創(chuàng)新，建立了精準診斷平臺、生信分析一體機等產(chǎn)品線，形成幾十項自主知識產(chǎn)權(quán)。榮聯(lián)深耕行業(yè)應(yīng)用，形成了精準醫(yī)療、多組學(xué)大數(shù)據(jù)、冷凍電鏡數(shù)據(jù)分析、醫(yī)療健康大數(shù)據(jù)等多項特色解決方案，面向臨床醫(yī)院、科研機構(gòu)、測序企業(yè)和高等院校提供專業(yè)化產(chǎn)品及服務(wù)。