冷凍電鏡(cryo-EM)三維圖像重構(gòu)軟件Relion工作站配置探討
單顆粒冷凍電鏡是結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究的重要手段之一，冷凍電鏡的模型重構(gòu)通常需要對(duì)幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)張投影圖片進(jìn)行分析、組裝和優(yōu)化，計(jì)算量巨大，這需要先進(jìn)的計(jì)算架構(gòu)配合有效的算法才能實(shí)現(xiàn)。
Relion是專門為低溫電子顯微鏡（cryo-EM）設(shè)計(jì)的圖像處理軟件。由MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Sjors Scheres組開(kāi)發(fā)的Relion框架正在革新冷凍電磁領(lǐng)域。該軟件在通過(guò)電子冷凍顯微鏡數(shù)據(jù)的單顆粒分析來(lái)優(yōu)化大分子結(jié)構(gòu)。Relion采用經(jīng)驗(yàn)貝葉斯方法對(duì)多個(gè)3D重建或2D類平均值進(jìn)行細(xì)化。借助GPU CUDA并行計(jì)算架構(gòu)，改進(jìn)了算法，GPU解決了Cryo-EM中計(jì)算量最大的過(guò)程，例如粒子自動(dòng)選取，2D和3D圖像分類以及高分辨率圖像細(xì)化。
Relion硬件配置要求
GPU：Relion經(jīng)過(guò)優(yōu)化，選用單精度的游戲卡就可以勝任超算，另外GPU顯存容量隨著圖片分辨率提升，目前單卡可提供顯存8GB、11GB、24GB、32GB、48GB
CPU：承擔(dān)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、預(yù)處理、圖像優(yōu)化，CPU頻率高加速整個(gè)計(jì)算過(guò)程
內(nèi)存: 圖片分辨率和內(nèi)存容量配備參考：
圖片分辨率 |
內(nèi)存容量最低 |
|
1 |
200x200 |
64GB |
2 |
360x360 |
128GB |
3 |
480x480 |
192GB |
4 |
512x512 |
256GB |
6 |
640x640 |
384GB |
數(shù)據(jù)盤：幾十萬(wàn)張供成像的圖片，需要一個(gè)海量存儲(chǔ)系統(tǒng)
高速緩存盤：為了加速圖像轉(zhuǎn)換處理，重構(gòu)，配備一個(gè)高速ssd盤，大幅降低硬盤io延遲
Relion圖像處理工作站硬件配置推薦
求解能力 圖片分辨率參考 |
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1 |
圖靈計(jì)算工作站 GX380i 14864-SA24T2X |
6核@4.8GHz / 64GB DDR4 /2*RTX2080S/960GB SSD系統(tǒng)盤 +2*12TB SATA企業(yè)級(jí)/塔式(1500w)/32寸-4K顯示器 |
59990 |
200x200 |
2 |
圖靈計(jì)算工作站 GT400i 146128-PA28T4X |
10核@4.6GHz / 128GB DDR4 /4*RTX2080S /960GB SSD系統(tǒng)盤 +1.6TB閃電盤/2*14TB SATA企業(yè)級(jí)/塔式(2000w)/ 32寸-4K顯示器 |
88500 |
360x360 |
3 |
圖靈計(jì)算工作站 GT400i 145192-PA28T4X |
12核@4.5GHz / 192GB DDR4 /4*RTX2080Ti /960GB SSD系統(tǒng)盤 +1.6TB閃電盤/2*14TB SATA企業(yè)級(jí)/塔式(2000w)/ 32寸-4K顯示器 |
105000 |
360x360 |
4 |
圖靈超算工作站GX630M 226192-PA70T6X |
2顆Xeon G5218(32核@2.6GHz ）/ 192GB DDR4 /6*RTX2080S/960GB SSD系統(tǒng)盤 +1.6TB閃電盤/70TB并行存儲(chǔ)/雙塔(2*2000w)/ 32寸-4K顯示器 |
158000 |
360x360 |
|
圖靈超算工作站GX630M 226192-PC98T8X |
2顆Xeon 金5218（32核@2.6GHz ）/ 192GB DDR4/ 8*RTX2080ti /1.9TB SSD系統(tǒng)盤 +3.2TB閃電盤/98TB并行存儲(chǔ)/雙塔(2*2000w)/ 32寸-4K顯示器 |
225000 |
400x400 |
6 |
圖靈超算工作站GX630M 226768-PC98T8T |
2顆Xeon 金5218（32核@2.6GHz ）/ 384GB DDR4 /8*Titan RTX /1.9TB SSD系統(tǒng)盤 +3.2TB閃電盤/98TB并行存儲(chǔ)/雙塔(2*2000w)/ 32寸-4K顯示器 |
358000 |
500x500 |
7 |
圖靈超算工作站GX630M 226192-PC98T8F |
2顆Xeon 金5218（32核@2.6GHz ）/ 768GB DDR4 /8*RTX8000/1.9TB SSD系統(tǒng)盤 +6.4TB閃電盤/98TB并行存儲(chǔ)/雙塔(2*2000w)/ 32寸-4K顯示器 |
650000 |
600x600 |
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：
基于GPU的RELION實(shí)現(xiàn)可以獲得良好的性能，相比于單CPU，整個(gè)應(yīng)用的加速比超過(guò)36倍，計(jì)算密集型算法的加速比達(dá)到75倍以上.在多GPU上的測(cè)試結(jié)果表明基于GPU的RELION具有很好的可擴(kuò)展性
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