芯像生物科技是一家成立于 2017 年的領(lǐng)先的人工智能 NGS（Next-generation sequencing）測(cè)序儀生產(chǎn)商，以半導(dǎo)體芯片技術(shù)為核心，賦能體外診斷技術(shù)的創(chuàng)新，目標(biāo)是打造檢測(cè)結(jié)果快速精準(zhǔn)、儀器運(yùn)營(yíng)低成本高產(chǎn)出、運(yùn)行流程集成自動(dòng)與智能化的基因測(cè)序平臺(tái)，推動(dòng)技術(shù)的普及，為人類(lèi)生命健康護(hù)航。

公司開(kāi)發(fā)出的 StarSeq100 AI 測(cè)序儀，利用人工智能和 GPU 加速技術(shù)實(shí)現(xiàn)全流程的高效測(cè)序，從數(shù)據(jù)處理、特征學(xué)習(xí)到模型訓(xùn)練和 FastQ 生成，極大地提高測(cè)序通量，并顯著降低單位樣本的測(cè)序成本。

芯像生物的目標(biāo)用戶主要是中心醫(yī)院、地區(qū)醫(yī)院、生物醫(yī)藥研究機(jī)構(gòu)、基因組學(xué)研究所等醫(yī)學(xué)和科研機(jī)構(gòu)。StarSeq100 AI 測(cè)序儀的高效性和精準(zhǔn)性使其成為醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷領(lǐng)域的理想選擇，幫助用戶更快速、更準(zhǔn)確地進(jìn)行基因測(cè)序，為疾病診斷、治療和個(gè)性化醫(yī)學(xué)提供強(qiáng)有力的支持。

芯像生物已成功落地多項(xiàng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的 AI 賦能，其中包括無(wú)創(chuàng)產(chǎn)前基因檢測(cè)（NIPT）、宏基因組測(cè)序（mNGS）和靶向測(cè)序（tNGS）等。通過(guò)將人工智能和 GPU 加速技術(shù)應(yīng)用于這些領(lǐng)域，芯像生物實(shí)現(xiàn)了高通量、高精準(zhǔn)的測(cè)序結(jié)果，幫助醫(yī)學(xué)機(jī)構(gòu)和研究所加速疾病診斷和治療，推動(dòng)了基因測(cè)序技術(shù)的普及和應(yīng)用。同時(shí)，芯像生物與上海生物醫(yī)藥技術(shù)研究院達(dá)成合作，共建 AI 測(cè)序儀聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)深入合作，推動(dòng)測(cè)序儀技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，為臨床醫(yī)學(xué)和基因組學(xué)研究提供更加先進(jìn)的技術(shù)支持和解決方案。

智能精準(zhǔn)化測(cè)序

面臨的挑戰(zhàn)

"智能精準(zhǔn)化測(cè)序?qū)⒊蔀槲磥?lái)主流測(cè)序方式"，但目前面臨著多項(xiàng)挑戰(zhàn)和限制。首先，現(xiàn)有的傳統(tǒng)測(cè)序算法和工具平臺(tái)適用于小規(guī)模數(shù)據(jù)和計(jì)算量不大的場(chǎng)景，無(wú)法滿足 NGS 行業(yè)日益增長(zhǎng)的海量數(shù)據(jù)處理需求，同時(shí)測(cè)序精度也有待提高，很難利用異構(gòu)架構(gòu)如 CPU+GPU 來(lái)實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。其次，AI 技術(shù)的使用門(mén)檻較高，導(dǎo)致傳統(tǒng)測(cè)序儀器廠商缺乏開(kāi)發(fā)工具和對(duì)相關(guān)算法不夠熟悉。這使得引入 AI 技術(shù)在 NGS 行業(yè)中面臨著技術(shù)難題。

構(gòu)建 NGS AI 測(cè)序儀平臺(tái)也面臨著以下幾大挑戰(zhàn)。首先是數(shù)據(jù)管理和處理。由于 NGS 每次運(yùn)行生成大量數(shù)據(jù)，通常從千兆字節(jié)到太字節(jié)不等，因此需要大量的計(jì)算資源和存儲(chǔ)容量來(lái)管理、存儲(chǔ)和傳輸如此龐大的數(shù)據(jù)集。其次是保證測(cè)序的高精度。要實(shí)現(xiàn)高精度的 NGS 數(shù)據(jù)處理，需要采用高質(zhì)量的測(cè)序算法，并在整個(gè)分析工作流程中應(yīng)用嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施。第三個(gè)挑戰(zhàn)是算力支持。大規(guī)模數(shù)據(jù)的訓(xùn)練和推理需要強(qiáng)大的算力，僅依靠 CPU 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此，需要建立 CPU+GPU 異構(gòu)計(jì)算環(huán)境，并根據(jù) CPU 和 GPU 使用情況來(lái)支持自動(dòng)擴(kuò)容縮容，以實(shí)現(xiàn)資源的合理分配和高效利用。

解決這些問(wèn)題和挑戰(zhàn)對(duì)于 NGS 行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。通過(guò)引入智能精準(zhǔn)化測(cè)序和 AI 技術(shù)，可以提高測(cè)序精度和效率，推動(dòng) NGS 行業(yè)向更加智能化和精準(zhǔn)化的方向發(fā)展。同時(shí)，加強(qiáng)技術(shù)人才培養(yǎng)和資源投入，將有助于克服技術(shù)應(yīng)用的瓶頸，推動(dòng) NGS 行業(yè)持續(xù)創(chuàng)新和發(fā)展。建立高性能的 CPU+GPU 異構(gòu)計(jì)算環(huán)境，將使得大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理更加高效，為 NGS 行業(yè)的未來(lái)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

NVIDIA 助力解決困境

為了解決所面臨的困境，使得行業(yè)發(fā)展創(chuàng)新更進(jìn)一步，芯像生物科技積極地實(shí)施了如下的解決方案：

1. 使用深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)克服 DNA 測(cè)序的各種挑戰(zhàn)。基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的 DNA 簇檢測(cè)優(yōu)化，提高 DNA 簇檢測(cè)準(zhǔn)確性，從而更有效地提取熒光信號(hào)信息。采用多個(gè)網(wǎng)絡(luò)塊構(gòu)建層級(jí)處理流程來(lái)構(gòu)建堿基 basecall 過(guò)程，提高基因組序列的準(zhǔn)確性。

2. 引入 SMART 堿基 basecall 及過(guò)濾技術(shù)，實(shí)現(xiàn)吞吐量、準(zhǔn)確性和速度的平衡，適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景。根據(jù)各應(yīng)用的需求進(jìn)行自適應(yīng)性過(guò)濾，高利用率的智能數(shù)據(jù)篩選算法以精準(zhǔn)選取符合應(yīng)用需求的數(shù)據(jù)，并有效降低單位樣本的測(cè)序成本。

3. NVIDIA GPU 加速 AI 訓(xùn)練迭代流程，以覆蓋跨測(cè)序儀、跨試劑、跨物種、跨應(yīng)用帶來(lái)的增量式多樣性的數(shù)據(jù)訓(xùn)練需求。StarSeq100 AI 測(cè)序儀所部署的深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練基于 NVIDIA GPU 和 Pytorch 框架，模型訓(xùn)練速度較原來(lái)提升了 10 倍，訓(xùn)練數(shù)據(jù)吞吐量提升 8 倍，訓(xùn)練穩(wěn)定性亦大幅提升。

4. 基于 NVIDIA GPU AI 推理加速的異構(gòu)平臺(tái)，以雙倍提升測(cè)序算法計(jì)算速度，有效降低了客戶測(cè)序報(bào)告等待時(shí)間，為用戶提供更快速、高效的測(cè)序體驗(yàn)。

NVIDIA 賦能

StarSeq100 AI 測(cè)序儀

NVIDIA 產(chǎn)品在 StarSeq100 AI 測(cè)序儀的技術(shù)、產(chǎn)品、業(yè)務(wù)和行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力方面發(fā)揮了重要作用，為芯像生物帶來(lái)了顯著的影響。NVIDIA GPU 為 StarSeq100 AI 測(cè)序儀提供了強(qiáng)大的計(jì)算能力，使 NGS 深度學(xué)習(xí)測(cè)序成為了可能。通過(guò)使用深度學(xué)習(xí)技術(shù)和 NVIDIA GPU，StarSeq100 AI 測(cè)序儀實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)處理、特征學(xué)習(xí)、模型訓(xùn)練到 FastQ 的全流程 GPU 加速。這大大提高了訓(xùn)練、推理速度，同時(shí)使測(cè)序通量提升了 30-40%，極大地降低了部署的成本和單位樣本的測(cè)序成本。NVIDIA 產(chǎn)品的高性能計(jì)算能力為 StarSeq100 AI 測(cè)序儀的技術(shù)和產(chǎn)品帶來(lái)了巨大的提升，使其成為 NGS 測(cè)序領(lǐng)域的領(lǐng)先產(chǎn)品。

同時(shí) NVIDIA 深度學(xué)習(xí)培訓(xùn)中心（DLI）免費(fèi)課程為芯像生物提供了學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。作為 NVIDIA 初創(chuàng)加速計(jì)劃的會(huì)員，芯像生物可以專(zhuān)享這些課程，提高員工的技術(shù)學(xué)習(xí)能力。這有助于芯像生物在技術(shù)方面保持領(lǐng)先，并加速 StarSeq100 AI 測(cè)序儀的技術(shù)創(chuàng)新。NVIDIA 產(chǎn)品的教育支持使得芯像生物的團(tuán)隊(duì)能夠不斷學(xué)習(xí)和掌握最新的人工智能測(cè)序技術(shù)，從而在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中保持優(yōu)勢(shì)。

NVIDIA 產(chǎn)品為 StarSeq100 AI 測(cè)序儀的技術(shù)創(chuàng)新和業(yè)務(wù)發(fā)展提供了有力支持。通過(guò)加速計(jì)算和提供學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。NVIDIA 的創(chuàng)新技術(shù)和全面支持為 StarSeq100 AI 測(cè)序儀的成功應(yīng)用和業(yè)務(wù)拓展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，比如在病原感染、腫瘤及生殖遺傳方面，AI 測(cè)序儀使得這些疾病的檢測(cè)分析更快速，更精準(zhǔn)。

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