CTMR Karolinska Institutet
概述
挑戰
- 加快 SARS-CoV-2 (COVID-19) 測試和研究，並靈活分析大量資料。
解決方案
- 部署具有高效能和自動化的整合基礎設施，提升複雜分析的運行效率。
結果
- 提高分析效能，每週處理大量 DNA 定序資料
- 透過提供即時洞察並消除延遲加速醫學研究（包括 COVID-19）
- 將靜態基礎設施轉變為動態、高度自動化的集群解決方案
- 建立敏捷、模組化的內部高效能運算平台
“Crucially, we have used the Hitachi Vantara converged infrastructure solution to analyze and assemble complete SARS-Cov-2 genome sequences. This research will be published to contribute to the global effort of scientists and medical staff to combat the COVID-19 pandemic more effectively.”
Fredrik Boulund, Head of Bioinformatics, Centre for Translational Microbiome Research, Karolinska Institutet
挑戰
透過醫學研究促進公共衛生
作為全球頂尖的醫學學府之一，卡羅林斯卡醫學院致力於促進人類健康，每年發表超過 6,000 篇經同行評審的科學論文。該校在學術界擁有獨特地位，因為卡羅林斯卡醫學院負責評選諾貝爾生理學或醫學獎的得主。
卡羅林斯卡醫學院微生物學、腫瘤學及細胞生物學系的轉化微生物組研究中心 (CTMR) 與 Ferring Pharmaceuticals 合作，建立了創新的公私合作夥伴關係。Ferring Pharmaceuticals 是一家以研究為驅動的專業生物製藥公司，總部位於瑞士，起源於瑞典。
CTMR 的研究人員正致力於加速對胃腸道慢性疾病各個方面的研究，並更好地了解微生物組對生殖健康的影響。主要目標是釋放人類微生物組（人體消化系統中發現的微生物群落）的潛力，以改善治療和預防疾病。
CTMR 生物資訊主管 Fredrik Boulund 解釋說：「我們的工作主要集中在分析實驗室樣本上。在處理 DNA 定序資料時，第一步是識別樣本中存在的微生物。我們會分析多維微生物組資料，以了解微生物群落的組成。第二步是研究微生物在樣本中的作用——它們消耗哪些物質、產生什麼代謝物。最終，我們需要確定微生物群落的能力與我們研究的問題之間的關聯。」
這項研究對計算和記憶體需求非常高。CTMR 能夠通過瑞典國家運算基礎架構 (SNIC) 使用共用的高效能計算 (HPC) 資源。然而，為了處理在不確定時間點到達的大批量樣本，它需要全年都能獲得更加靈活的運算能力。
「外部運算資源確實是一個有價值的選擇，但它也會限制我們的生產力，」Boulund 說。「整個工作流程中的回饋循環過於緩慢。在完成分析規劃後，我們需要將原始資料上傳至共享的 HPC 系統，並將計算作業提交至中央佇列。這意味著我們需要等待數小時甚至數天，直到作業完成——或是失敗。隨著在共享 HPC 系統上的資源分配開始無法滿足需求，我們開始尋求新的解決方案，希望能夠更快速、更靈活地獲得所需的見解。」
2020 年，瑞典政府要求 CTMR 超越基礎研究的範疇，並建立新的國家流行病中心（NPC）。NPC 是與瑞典分子生物科學支持機構 SciLifeLab 共同發起的。為了加強瑞典的 COVID-19 應對，NPC 每週分析大約 45,000 份基於 PCR 的 COVID-19 檢測樣本。在瑞典大流行期間，NPC 成為該國最大的 SARS-CoV-2 (COVID-19) 分析實驗室之一，有時其提供的檢測能力佔全國總檢測能力的五分之一。
NPC 的主要職責之一是為研究 COVID-19 的研究人員提供先進技術和專業知識。 「大流行爆發後，我們突然不得不處理更多的資料，」Boulund 補充道。「我們的團隊需要快速擴展資料分析能力，以便幫助推進 SARS-CoV-2 研究。」
解決方案
在關鍵時刻提供靈活且快速的 IT 支援
Hitachi Vantara 了解到 CTMR 迫切需要更強大的 IT 資源，於是主動聯繫以支援 COVID-19 相關的研究與測試。CTMR 當時使用兩台實體伺服器來執行 IT 服務和分析工作，配置相當靜態，且無法進行虛擬化或擴展。
Hitachi Vantara 團隊為 CTMR 設計了融合基礎設施解決方案。他們共同努力，結合 Hitachi Virtual Storage Platform F370 陣列部署了 Hitachi Unified Compute Platform CI 解決方案。Hitachi Vantara 選擇了思科交換器來確保最佳化的網路效能。
該解決方案整合了運算、儲存、網路和管理軟體，並透過使用 VMware 虛擬化動態調整資源提供了高度的靈活性。同時，Hitachi Unified Compute Platform Advisor 軟體簡化了系統管理並自動執行管理任務。該團隊還可以自行部署和使用標準 HPC 工具（例如 Slurm）來跨虛擬化伺服器基礎架構進行集群管理和作業調度。
Hitachi Vantara 與思科和 VMware 合作，向 CTMR 提供全面貸款，幫助加速部署進程。「Hitachi Vantara、思科和 VMware 的報價非常慷慨，」Boulund 說。「他們的積極參與和商業靈活性，使我們能夠在尚未完全獲得資金的情況下，便能夠利用這些新的強大 IT 解決方案。」
該解決方案符合該校中央 IT 的嚴格規則和要求，並部署於該校主要的資料中心設施之一。
結果
對抗全球流行病並生成即時見解
在 Hitachi Vantara 的幫助下，CTMR 建立了敏捷、模組化的內部 HPC 平台。透過使用 VMware 虛擬化和 Hitachi UCP Advisor 來管理其資源，CTMR 能夠簡化系統管理並自動執行部署和系統管理任務。該團隊可以根據需要為特定運算任務啟動和關閉虛擬機，快速輕鬆地重新配置集群。
「Hitachi UCP Advisor 的自動化功能使我們能夠根據標準化模板按需啟動新實例，」Boulund 解釋道。「這種方法使我們能夠根據處理任務自訂實例大小，在短時間內最大化專案效能。這意味著我們可以更高效地利用資源，並在未來更快速地響應研究科學家的請求。」
該解決方案幫助 CTMR 充分利用下一代高通量 DNA 定序技術，每週生成大量定序資料。「對我們的研究人員來說，這帶來了巨大的實際好處，」Boulund 證實。「我們可以在更短的周轉時間內產生新的見解。過去，我們可能需要幾天甚至幾週的時間才能得到結果，這大大延緩了研究進度。」
「至關重要的是，我們利用 Hitachi Vantara 的融合基礎設施解決方案，分析並組裝完整的 SARS-CoV-2 基因組序列。這項研究的發表將幫助全球科學家和醫療工作者更有效地應對 COVID-19 大流行。」
Bouulund 總結說：「過去，為共享 HPC 資源分析準備資料的流程有些繁瑣，這與我們的研究需求不太相符。由於 Hitachi Vantara 的支持，我們現在可以在內部隨時更快地分析大量資料。我們與 Hitachi Vantara、VMware 及思科共同實現了 IT 現代化，並建立了一個靈活、穩健且高度自動化的資料中心。性能的提升有助於我們推動科學發展，並激勵我們的研究人員更深入地瞭解人體。」
