存儲可以在很多方面為醫(yī)學(xué)研究提供支持，尤其是與大腦成像硬件相關(guān)的領(lǐng)域。美國斯坦福大學(xué)是如何在其最近的研究項(xiàng)目中利用高速存儲的呢？
在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，快速存儲能支持研究人員存儲和解析大型數(shù)據(jù)集。一個(gè)超大型數(shù)據(jù)集的示例就是斯坦福大學(xué)的 MultiMAP 項(xiàng)目，該項(xiàng)目用于跟蹤、記錄并分析斑馬魚大腦中神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng)。
斯坦福大學(xué)的 MultiMAP 是做什么的？
在斯坦福大學(xué)的一篇新聞稿中，科學(xué)作家 Bruce Goldman 解釋說，MultiMAP（分子和活動(dòng)表型的多重比對）支持研究人員“跟蹤斑馬魚大腦中的幾乎每一個(gè)神經(jīng)元，然后確定每個(gè)相關(guān)神經(jīng)元的細(xì)胞類型?！盡ultiMAP 背后的斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用技術(shù)確定了腦回路實(shí)際上與警覺性有關(guān)。
斯坦福大學(xué)跟蹤了斑馬魚大腦中的神經(jīng)元，將大腦活動(dòng)與警覺性聯(lián)系起來。 圖片來自 NICHD。
斯坦福大學(xué)生物工程及精神病學(xué)和行為科學(xué)教授兼霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員 Karl Deisseroth 告訴 Goldman，“我們在魚存活期、細(xì)胞處于極度活躍狀態(tài)時(shí)跟蹤它大腦中的每個(gè)神經(jīng)元，并了解了魚的警覺性最高時(shí)哪些細(xì)胞最活躍。然后，在不改變魚頭部細(xì)胞相對位置的情況下使用固定劑保存魚的腦組織后，我們可以使用分子探針找到相關(guān)神經(jīng)元并確定其細(xì)胞類型?！?nbsp;
這項(xiàng)技術(shù)本身需要大規(guī)模運(yùn)作，因此需要處理單元附近部署大量低延遲、高速的存儲才能實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著此類大腦成像技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和進(jìn)步，存儲也要迎頭趕上。
MultiMAP 極其重要，因?yàn)樗占臄?shù)據(jù)對心理健康有極大影響。Goldman 特別指出，睡眠不足與抑郁癥均和缺乏警覺性有關(guān)，而焦慮癥、躁狂癥與創(chuàng)傷后壓力心理障礙癥 (PTSD) 和警覺性過度有關(guān)。
Deisseroth 說：“新發(fā)現(xiàn)開拓了一條全新的深入探索之路。我們越了解警覺性等大腦狀態(tài)下的神經(jīng)元構(gòu)造，就會越了解大腦狀態(tài)這個(gè)概念本身，我們甚至能夠幫助設(shè)計(jì)針對大腦狀態(tài)的臨床干預(yù)措施?！?/p>
要踏上這條“深入探索之路”，快速存儲至關(guān)重要。斑馬魚幼體有大約 100,000 個(gè)神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都需要被記錄、存儲并快速仔細(xì)地梳理，才能獲取重要的數(shù)據(jù)點(diǎn)。成年斑馬魚有大約 1,000 萬個(gè)神經(jīng)元，這對斯坦福大學(xué)的 MultiMAP 技術(shù)的要求呈指數(shù)級增長。相較之下，人類大腦則包含 860 億個(gè)神經(jīng)元。
人類的神經(jīng)元數(shù)目是斑馬魚的 860 多倍。
哪類存儲能夠繪制大腦構(gòu)造呢？
美光科技技術(shù)營銷高級經(jīng)理 Jason Echols 表示，在處理如此多的信息、繪制大腦構(gòu)造并確定其決策和功能時(shí)，研究人員便進(jìn)入了快速數(shù)據(jù)領(lǐng)域。為了處理如此多的數(shù)據(jù)并分析其中的重要數(shù)據(jù)點(diǎn)，MultiMAP“讓人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)變得稍稍清晰可見了一些”。
Echols 說，“他們需要進(jìn)行大量的并行處理。當(dāng)他們需要將數(shù)據(jù)納入決策流時(shí)，他們不僅僅是在思考，實(shí)際上是在提取數(shù)據(jù)并予以分析。”
Echols 表示，從事 MultiMAP 項(xiàng)目等工作的醫(yī)學(xué)研究人員在竭力“優(yōu)化存儲基礎(chǔ)設(shè)施以獲取最佳性能”，尤其是當(dāng)他們處理斯坦福大學(xué)研究人員在腦細(xì)胞中觀察到的海量數(shù)據(jù)時(shí)。
“你會發(fā)現(xiàn)，英偉達(dá)和其他一些企業(yè)都在這些領(lǐng)域與他們進(jìn)行合作?！盓chols 說，“他們?nèi)绾问勾鎯婢叱杀拘б婧统焖俣?，讓運(yùn)行這些數(shù)據(jù)所需的所有計(jì)算核心都能獲得需要的數(shù)據(jù)呢？這才是真正有意義的對話。”
推動(dòng)所有存儲的發(fā)展
Echols 表示，存儲研究能為醫(yī)學(xué)研究提供動(dòng)力。隨著精簡、快速且高效的存儲解決方案不斷在新應(yīng)用中實(shí)施，這一領(lǐng)域的方方面面均將受益。
Echols 解釋說，在研究人員和前沿思想家正大規(guī)模應(yīng)用內(nèi)存和存儲的多種方式中，其中有八種應(yīng)用正推動(dòng)著前沿科學(xué)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展：
大數(shù)據(jù)與分析
物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備
混合云
非易失性存儲主機(jī)控制器接口規(guī)范 (NVMe) 和單根輸入/輸出虛擬化 (SRIOV)
橫向擴(kuò)展架構(gòu)
人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí)
安防
軟件定義的存儲 (SDS)
Echols 說：“僅看存儲方面的業(yè)務(wù)，這些是我們在宏觀趨勢層面真正能影響到的領(lǐng)域。”
美光科技首席技術(shù)營銷工程師 Tony Ansley 表示，上述很多應(yīng)用均能從與精簡存儲這一基本概念中獲益：更快速地存儲和計(jì)算數(shù)據(jù)。比如說，如果研究人員可以判斷某個(gè)神經(jīng)元是處于活躍狀態(tài)還是不太活躍狀態(tài)，他們就能更快速地得出結(jié)論。
Ansley 說，“它不僅是存儲技術(shù)，也是整個(gè)計(jì)算機(jī)行業(yè)的架構(gòu)技術(shù)。如何針對新興的服務(wù)器平臺、服務(wù)器技術(shù)和處理器技術(shù)的需求優(yōu)化存儲，使我們能夠在更小的整體空間內(nèi)確保更多的存儲容量和更快的存儲速度，從而提高分析速度呢？”
Crucial DDR4 DRAM 等美光內(nèi)存產(chǎn)品能幫助醫(yī)學(xué)研究技術(shù)縮短處理時(shí)間。 圖片來自 Dsimic。
在計(jì)算架構(gòu)上直接分析數(shù)據(jù)大約需要 5 納秒來完成處理。就處理時(shí)間而言，DRAM 與計(jì)算架構(gòu)極其接近，需要約 30 納秒。但隨著內(nèi)存解決方案越來越遠(yuǎn)離計(jì)算架構(gòu)，處理時(shí)間也隨之增加。SATA 固態(tài)硬盤處理同樣的數(shù)據(jù)需要 300 微秒，而 SAS 普通硬盤需要 6 毫秒。在遙遠(yuǎn)的另一端，混合 SAN 需要整整 30 毫秒。
這看起來可能差別并不大，尤其是當(dāng)這些數(shù)字僅是一秒的極小一部分時(shí)，但 Echols 建議用簡單易懂的說法來解釋它。如果在計(jì)算架構(gòu)中直接處理數(shù)據(jù)需要 1 秒，那么 DRAM 處理同樣的數(shù)據(jù)需要 6 秒。SATA 固態(tài)硬盤需要 16 個(gè)小時(shí)，SAS 普通硬盤需要 2 周，而混合 SAN 需要 2-3 個(gè)月。在這個(gè)層面，Echols 說：“這些速度極快的計(jì)算架構(gòu)等不了那么久?！?/p>
Echols 說：“美光科技的創(chuàng)新之處也正在于此。從 DRAM 到固態(tài)硬盤領(lǐng)域，我們在不斷創(chuàng)新。這是我們推動(dòng)行業(yè)發(fā)展的貢獻(xiàn)所在。”
醫(yī)學(xué)的未來
Ansley 表示，美光科技助力精簡醫(yī)學(xué)研究技術(shù)的一個(gè)主要方式是：在更小的外形規(guī)格內(nèi)實(shí)施存儲解決方案，方便研究人員隨身攜帶。
Ansley 說，“尤其是在可能爆發(fā)特定類型病原體的第三世界國家/地區(qū)，研究人員可能需要收集實(shí)時(shí)視頻掃描或超聲波掃描，即大量數(shù)據(jù)需要處理，所以他們更希望能夠把存儲數(shù)據(jù)握在手里而不是推在車?yán)??！?/p>
Tony Ansley 認(rèn)為，美光科技的內(nèi)存產(chǎn)品非常適合用來為移動(dòng)醫(yī)療設(shè)備提供支持。圖片來自哥倫布空軍基地。
就像 MultiMAP 收集來自每個(gè)大腦神經(jīng)元的數(shù)據(jù)一樣，其他醫(yī)學(xué)技術(shù)也會收集海量數(shù)據(jù)，從高分辨率的X射線圖到超聲波掃描圖文件中的數(shù)千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)，均是如此。研究人員需要能在現(xiàn)場隨時(shí)輕松獲取更多的數(shù)據(jù)，避免不斷上傳和下載。因此，Ansley 說：“如果能將所有技術(shù)更高效地集成到越來越小的封裝中，我就能夠用手拿著而不用背在背上。”
他接著說道：“舉例來說，作為行業(yè)的一份子，美光科技始終在考慮如何將更多存儲集成到單個(gè) NAND 芯片中。我們將 2.5 英寸硬盤或固態(tài)硬盤的存儲從過去的 100GB 擴(kuò)展到了 10 到 20TB，而這僅用了短短幾年的時(shí)間，我們還將繼續(xù)努力?！?/p>