用於加快 DNA 測序的 SBC

March 2, 2017

在醫療和生物科技領域，DNA 測序 – 確定 DNA 分子中核甘酸精確次序的過程 – 將促進診斷進展、醫療和生物研究、病毒學和法醫學。雖然 DNA 測序的潛在用途似乎無窮無盡，但希望執行 DNA 測序的任何組織都需要做好應對大規模數據的準備。他們需要一種可以提供龐大計算輸送量、速度、穩定性和解析度的系統。

這對於新一代測序 (NGS) 技術尤為如此。NGS 可讓科學家和研究者透過搜尋和比較數以億計的 DNA 片段，方便地挖掘數據測序的最大潛力（圖 1）。在執行此項分析時，NGS 會生成大量的數據，這給數據儲存、分析和共享帶來了挑戰。即便如此，配備強大 Intel® 處理器的 NGS 系統能夠在一周甚至更短時間內標出完整的 DNA 序列（超過三十億個 DNA 雙螺旋）。這與人類基因組計畫最初使用 13 年時間相比可謂天地之別！

圖 1.新一代測序 (NGS) 技術可讓科學家和研究者透過搜尋和比較數以億計的 DNA 片段，挖掘數據測序的最大潛力。

當然，處理所有這些數據是值得花點精力的。遺傳信息已開始幫助延長壽命，提供防止威脅生命的疾病發展或惡化的方案，並且促生新的預防性藥物解決方案。醫學專家已開始使用特定的患者 DNA 資訊來提供治療，從而最大限度地降低風險和提高康復率。

在評估 NGS 為醫療行業帶來的主要受益時 – 尤其是傳染性疾病、產前檢查、自發病、腫瘤學和器官配對以及組織供者 – Grand View Research, Inc. 預計在 2022 年新一代測序的全球市場年收入將達到 $278 億美元（從 2014 年的 20 億美元起）。這使其成為對於系統集成商而言收益可觀的一大領域。關鍵在於找到可處理此類數據的板卡。

一家公司透過工業 PC 設計和製造公司 Axiomtek 找到了答案。該客戶尋找不同于當前所有可用主機板的單板電腦 (SBC)。Axiomtek 的設計服務設計了一款高性能的 SBC，其可支援兩個高性能 Intel® Xeon® 處理器 E5-2400 產品系列 CPU。

從初始規劃和設計直到測試和驗證以及準備出貨階段，Axiomtek 的設計服務在定制過程中提供了重要的幫助，以確保最終產品可靠執行。諸如處理速度、儲存需求和作業系統 (OS) 驅動器集成的主要因素都得到慎重考慮。最終獲得的主機板符合客戶的複雜和特定要求，包括多個 LAN 埠、用於儲存大量 DNA 序列資訊的 SATA 埠、大量的 USB 埠、PCIe 寬度、VGA 連線器和 LVDS 介面。

為了確保該解決方案能夠在各種應用中可靠地執行，客戶選擇了 Axiomtek 的熱解決方案服務。Axiomtek 的設計服務還提供軟體服務，包括嵌入式 OS 開發、軟體 API 實用程式和驅動器支援以及 BIOS 定制。尤其是，NGS 公司採用 Axiomtek 的 BIOS 定制服務來個性化產品的啟動畫面並且請求每個板預先安裝嵌入式版本的 Windows OS，以便為使用者提供熟悉、簡單易用的介面。

雖然對於這一特定的 DNA 測序機器並不需要，但很多 Axiomtek 的嵌入式主機板都透過了重要的認證。這些認證包括 UL60601-1/EN60601-1、CE 和 FCC B 級，供醫療機構使用。

採用功能強大的 Intel® Xeon® 處理器而構建

一項關鍵的賣點在於 Axiomtek 能夠構建支援兩個 Intel® Xeon® 處理器 E5-2400 SKU（每個八個核心）的板。這些處理器包括 Intel® Turbo Boost 技術，其根據熱餘量有效地“超頻”單個核心以處理繁重的工作負載（圖 2）。Intel® Xeon® 處理器 E5-2400 系列還支援 Intel® 超執行緒技術，該技術可讓每個核心處理的執行緒數翻倍，並且讓每個核心同時完成更多工。

圖 2.Intel® Turbo Boost 技術透過利用熱與功率餘量，可根據需要大幅提升處理器的頻率。

最新的 Intel Xeon 處理器 E5-2400 v3 產品系列更為驚人。憑藉多達 10 個核心以及支援多達 384 GB 的 DDR3 無緩衝記憶體，這些處理器可以為 NGS 解決方案提供高效的發電裝置，提高計算性能，從而更快速地解答 DNA 測序疑問。另外還可透過 Intel® Xeon® 處理器 E5-2600 v3 產品系列提升性能。其嵌入式 SKU 包括多達 12 個核心，並且支援多達 768 GB 的更快 DDR4 記憶體。

上述討論針對 Intel 處理器的特定優勢 – 能夠擴展解決方案以滿足解決方案的價格要求和性能需求。如果採用 NGS 解決方案，時間可比金錢寶貴得多了。當面臨生命威脅，可選治療方案和速度取決於能否快速獲得結果，您最不希望發生的事情就是計算解決方案遭遇瓶頸。

一體式醫療觸控電腦

與 Axiomtek 合作的醫療裝置製造商的另外一項優勢成就了醫療級無風扇觸控電腦，可用於顯示 NGS 和其他測試結果。另外一個範例就是他們的 MPC153-834 電腦，帶 15.6 英寸 WXGA TFT LCD 顯示幕，且顯示幕亮度為 300 尼特。這款醫療面板 PC 專為醫療環境而設計，具有一個相容 IPX1 的主機殼和一個 IP65/NEMA 4 級防洩漏和防塵前面板（圖 3）。而且，這款寬熒幕醫用觸控 PC 配備獨立的 COM 埠，可保護裝置，防止遭受電湧和暫態電壓尖峰影響。搭載四核 Intel® Celeron® 處理器 J1900，這款強大的 15.6 英寸 MPC153-834 提供內置的圖形功能，可清晰、精准地顯示醫療圖像和其他結果。