科技论文组成《科学》（20250307出版）一周论文导读

用户投稿 2025年09月06日 21:50:04 71 0

《科学》（20250307出版）一周论文导读

来源：媒体滚动

Science, 7 MAR 2025, VOL 387, ISSUE 6738

《科学》2025年3月7日，第387卷，6738期

医学Medicine

Protein codes promote selective subcellular compartmentalization

蛋白质代码促进选择性亚细胞区室化

作者：HENRY R. KILGORE, ITAMAR CHINN et al.

链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq2634

摘要：

本研究中，我们展示了具有共享功能的蛋白质共享氨基酸序列代码，这些代码指导它们到达各自的亚细胞区室。我们开发了一种蛋白质语言模型ProtGPS，能高效预测训练集之外的人类蛋白质的区室定位。ProtGPS成功指导了选择性在核仁中组装的新型蛋白质序列的生成。

ProtGPS还识别出了改变这一代码并导致蛋白质亚细胞定位改变的病理突变。我们的结果表明，蛋白质序列不仅包含折叠代码，还包含一个先前未被识别的代码，该代码控制它们向不同亚细胞区室的分布。

Abstract：

In this study, we demonstrate that proteins with shared functions share amino acid sequence codes that guide them to compartment destinations. We developed a protein language model, ProtGPS, that predicts with high performance the compartment localization of human proteins excluded from the training set. ProtGPS successfully guided generation of novel protein sequences that selectively assemble in the nucleolus. ProtGPS identified pathological mutations that change this code and lead to altered subcellular localization of proteins. Our results indicate that protein sequences contain not only a folding code but also a previously unrecognized code governing their distribution to diverse subcellular compartments.

材料科学Materials Science

Mandrel-free fabrication of giant spring-index and stroke muscles for diverse applications

用于多样化应用的无芯轴制造巨型弹簧指数和行程肌肉

作者：MENGMENG ZHANG, SHAOLI FANG et al.

链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr6708

摘要：

制造高弹簧指数聚合物纤维或纱线肌肉的方法通常需要昂贵的芯轴缠绕工艺，这限制了它们的实际应用。我们展示了一种低成本的无芯轴方法，用于制造弹簧指数可超过50且收缩拉伸行程超过97%的聚合物肌肉。该方法通过改变捻度使弹簧指数沿肌肉长度变化，从而在加热或冷却时实现肌肉在同手性和异手性之间的转变。

我们展示了这些聚合物肌肉在机器人中的应用以及环境驱动的舒适调节夹克中的应用。这种无芯轴方法还被用于制造高弹簧指数的碳纳米管纱线，用于机械能量收集器、自供电应变传感器以及溶剂驱动和电化学驱动的人工肌肉。

Abstract：

Methods for making high-spring-index polymer fiber or yarn muscles have required expensive fabrication by wrapping around a mandrel, which limits their practical applications. We demonstrate an inexpensive mandrel-free method for making polymer muscles that can have a spring index of >50 and a contractile tensile stroke exceeding 97%. This method enables the spring index to be varied along a muscle’s length by varying the plying twist, resulting in muscles that transition between homochiral and heterochiral when either heated or cooled. We demonstrate use of these polymer muscles for robots and environmentally driven comfort-adjusting jackets. This mandrel-free method was used to make high-spring-index carbon nanotube yarns for mechanical energy harvesters, self-powered strain sensors, and solvent-driven and electrochemically driven artificial muscles.

地球科学Earth Science

Tropical forests in the Americas are changing too slowly to track climate change

美洲热带森林变化速度太慢，无法跟上气候的变化

作者：JESúS AGUIRRE-GUTIéRREZ, SANDRA DíAZ et al.

链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl5414

摘要：

在此，我们探究了美洲热带森林近几十年来如何因气候变化而发生群落特征组成的变化。根据历史特征与气候的关系，我们发现，总体而言，基于观察到的气候变化，我们研究得出的功能特征显示出不到预期值8%的变化。

然而，新群落显示出相对于气候变化预期的21%的变化。地球上生物多样性最丰富的森林正在经历功能特征组成的变化，但其变化速度根本不足以跟上气候变化的步伐。

Abstract：

Here, we examined how tropical forests of the Americas have shifted community trait composition in recent decades as a response to changes in climate. Based on historical trait-climate relationships, we found that, overall, the studied functional traits show shifts of less than 8% of what would be expected given the observed changes in climate. However, the recruit assemblage shows shifts of 21% relative to climate change expectation. The most diverse forests on Earth are changing in functional trait composition but at a rate that is fundamentally insufficient to track climate change.

Upslope plant species shifts in Mesoamerican cloud forests driven by climate and land use change

中美洲云雾林的植物因气候和土地利用变化而向高海拔迁移

作者：SANTIAGO RAM REZ-BARAHONA, NGELA P. CUERVO-ROBAYO et al.

链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn2559

摘要：

全球变化正在驱动世界范围内的生物多样性变化。然而在生物多样性极高的热带地区，这些变化却鲜为人知。在热带山区，植物大多预期会因气候变暖而向高海拔迁移。为了验证这一点，我们利用过去三十年的物种出现记录，分析了中美洲云雾林物种海拔范围的变化。

我们的研究结果显示，自1979年以来，较不耐热的山地物种平均每年向高海拔迁移1.8至2.7米。由于物种不同程度地暴露于森林砍伐和气候变化的影响之下，这些迁移大多伴随着物种分布上下界限的退缩。我们的研究结果凸显了云雾林在全球变化下的脆弱性，以及加强对物种响应进行监测的紧迫性。

Abstract：

Global change drives biodiversity shifts worldwide, but these shifts are poorly understood in highly diverse tropical regions. In tropical mountains, plants are mostly expected to migrate upslope in response to warming. To assess this, we analyze shifts in elevation ranges of species in Mesoamerican cloud forests using three decades of species’ occurrence records. Our findings reveal a mean upslope shift of 1.8 to 2.7 meters per year since 1979 driven by the upslope retreat of the less thermophilic montane species. These shifts are mostly accompanied by retreating lower and upper edges attributed to varying degrees of species’ exposure to deforestation and climate change. Our results highlight the vulnerability of cloud forests under global change and the urgency to increase monitoring of species’ responses.

生物学Biology

Historic manioc genomes illuminate maintenance of diversity under long-lived clonal cultivation

木薯基因组揭示了长期无性繁殖栽培下多样性的维持情况

作者：LOGAN KISTLER, FABIO DE OLIVEIRA FREITAS et al.

链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq0018

摘要：

木薯又称树薯和尤卡，起源于全新世早期的南美洲，是世界上最重要的作物之一。为了驯化其淀粉质根部，木薯几乎完全从有性繁殖转变为了无性繁殖。现在全球几乎所有的木薯都是通过茎插条种植的。在这项工研究中，我们分析了573个新的和已发表的木薯基因组，重点关注来自美洲的传统品种和来自植物标本馆的野生近缘种，以揭示这种向无性繁殖转变的影响。

我们观察到长距离的亲缘关系、高遗传多样性的维持、代际杂合性的富集以及连接全球所有木薯的遗传同源单倍型块的基因组嵌合体。与巴西塞拉多土著传统农民的访谈揭示了传统管理策略如何通过维持、多样化和共享基因库来塑造木薯的多样性。

Abstract：

Manioc—also called cassava and yuca—is among the world’s most important crops, originating in South America in the early Holocene. Domestication for its starchy roots involved a near-total shift from sexual to clonal propagation, and almost all manioc worldwide is now grown from stem cuttings. In this work, we analyze 573 new and published genomes, focusing on traditional varieties from the Americas and wild relatives from herbaria, to reveal the effects of this shift to clonality. We observe kinship over large distances, maintenance of high genetic diversity, intergenerational heterozygosity enrichment, and genomic mosaics of identity-by-descent haploblocks that connect all manioc worldwide. Interviews with Indigenous traditional farmers in the Brazilian Cerrado illuminate how traditional management strategies for sustaining, diversifying, and sharing the gene pool have shaped manioc diversity.

动物学Zoology

Rapid butterfly declines across the United States during the 21st century

美国蝴蝶数量在21世纪急剧下降

作者：COLLIN B. EDWARDS, ELISE F. ZIPKIN et al.

链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp4671

摘要：

众多昆虫群体的数量下降已被记录下来，并且，这一情况的潜在后果是严重的。蝴蝶是最广受调查的昆虫类群，然而对其的分析往往受限于地理范围或依赖于单一监测项目的数据。利用来自35个监测项目的超过76000次调查中记录的1260万只蝴蝶的数据，我们描绘了美国本土蝴蝶总体及特定物种的丰度趋势。

2000年至2020年间，记录的554种蝴蝶的总丰度下降了22%。物种层面的下降普遍存在，下降的物种数量是增加的物种数量的13倍。美国所有地区蝴蝶数量普遍下降的现象凸显了保护蝴蝶免遭进一步损失的紧迫性。

Abstract：

Numerous declines have been documented across insect groups, and the potential consequences of insect losses are dire. Butterflies are the most surveyed insect taxa, yet analyses have been limited in geographic scale or rely on data from a single monitoring program. Using records of 12.6 million individual butterflies from >76,000 surveys across 35 monitoring programs, we characterized overall and species-specific butterfly abundance trends across the contiguous United States. Between 2000 and 2020, total butterfly abundance fell by 22% across the 554 recorded species. Species-level declines were widespread, with 13 times as many species declining as increasing. The prevalence of declines throughout all regions in the United States highlights an urgent need to protect butterflies from further losses.

AI推理芯片，最新排名

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）编译自ieee spectrum

Nvidia Blackwell在AI推理领域领先，AMD 位居第二。

在 MLCommons 发布的最新一轮机器学习基准测试结果中，基于 Nvidia 全新 Blackwell GPU 架构构建的计算机表现优于其他所有计算机。但 AMD 的最新 Instinct GPU MI325 却与其竞争对手Nvidia H200相媲美。两者的可比结果主要来自对较小规模大型语言模型之一Llama2 70B（700 亿个参数）的测试。然而，为了跟上快速变化的人工智能格局，MLPerf增加了三个新基准测试，以更好地反映机器学习的发展方向。

MLPerf 针对机器学习系统进行基准测试，旨在提供计算机系统之间的同类比较。提交者使用自己的软件和硬件，但底层神经网络必须相同。目前共有 11 个服务器基准测试，今年又增加了 3 个。

MLPerf Inference 联合主席 Miro Hodak 表示，“很难跟上该领域的快速发展”。ChatGPT直到 2022 年底才出现，OpenAI于去年 9 月推出了其首个可以推理任务的大型语言模型 (LLM)，LLM 呈指数级增长——GPT3 拥有 1750 亿个参数，而 GPT4 被认为拥有近 2 万亿个参数。由于这些飞速的创新，“我们加快了将新基准引入该领域的步伐，”Hodak 说。

新的基准测试包括两个 LLM。流行且相对紧凑的 Llama2 70B 已经是成熟的 MLPerf 基准测试，但该联盟希望能够模仿人们今天对聊天机器人的期望的响应能力。因此，新的基准测试“Llama2-70B Interactive”收紧了要求。在任何情况下，计算机每秒必须至少产生 25 个指令，并且开始回答的时间不能超过 450 毫秒。

在看到“代理AI”的崛起——能够处理复杂任务的神经网络——MLPerf试图测试一个具有所需某些特征的LLM。他们选择了Llama3.1 405B来完成这项工作。这个LLM具有所谓的宽上下文窗口。这是衡量它一次可以吸收多少信息——文档、代码样本等——的指标。对于Llama3.1 405 B来说，这是128,000个指令，是Llama2 70B的30倍以上。

最后一个新基准称为 RGAT，即所谓的图注意力网络。它的作用是对网络中的信息进行分类。例如，用于测试 RGAT 的数据集由科学论文组成，这些论文在作者、机构和研究领域之间都有关系，构成了 2TB 的数据。RGAT 必须将论文分为不到 3,000 个主题。

Blackwell，测试结果

英伟达主导 MLPerf 基准测试。其第一代和第二代 Hopper 架构 GPU——H100 和内存增强型 H200——都表现出色。英伟达加速计算产品总监戴夫·萨尔瓦托（Dave Salvator）表示，从 2022 年投入生产的 Hopper 架构 GPU 来看，“我们在过去一年中又获得了 60% 的性能提升。在性能方面，它仍有一些提升空间。”

但是，真正占据主导地位的是英伟达的Blackwell架构GPU，即B200。“比Hopper更快的唯一东西就是Blackwell，”Salvator说。与H200相比，B200的高带宽内存增加了36%，但更重要的是，它可以使用精度低至4位的数字执行关键的机器学习数学运算，而不是Hopper开创的8位精度。精度较低的计算单元更小，因此更适合GPU，从而加快了AI计算速度。

在Llama3.1 405B基准测试中，Supermicro的八台B200系统每秒提供的指令数量几乎是思科八台H200系统的四倍。同样的Supermicro系统比Llama2 70B交互版本中速度最快的H200计算机快三倍。

英伟达使用其Blackwell GPU和Grace CPU的组合，称为GB200，展示了其NVL72数据链接如何能够很好地整合机架中的多台服务器，使它们像一台巨大的GPU一样运行。在一项未经验证的结果中，该公司分享，基于GB200的完整机架在Llama2 70B上每秒提供869,200个指令。在这一轮MLPerf中报告的最快系统是英伟达的B200服务器，其每秒提供98,443个指令。

AMD将其最新的 Instinct GPUMI325X 定位为性能可与 Nvidia 的 H200 相媲美的产品。MI325X 拥有与其前身 MI300 相同的架构，但增加了更多的高带宽内存和内存带宽 — 256 GB 和 6 TB/秒（分别提高了 33% 和 13%）。

添加更多内存是为了处理越来越大的 LLM。“更大的模型能够利用这些 GPU，因为模型可以装入单个 GPU 或单个服务器中，” AMD 数据中心 GPU 营销总监Mahesh Balasubramanian说。“因此，你不必承担从一个 GPU 到另一个 GPU 或从一个服务器到另一个服务器的通信开销。当你消除这些通信时，延迟会大大改善。”AMD 能够通过软件优化利用额外的内存，将 DeepSeek-R1 的推理速度提高八倍。

在 Llama2 70B 测试中，八 GPU MI325X 计算机的速度与同样配置的 H200 系统相比，只相差 3% 到 7%。在图像生成方面，MI325X 系统的速度与 Nvidia H200 计算机相比，只相差 10% 以内。

AMD 本轮另一个值得注意的成绩来自其合作伙伴 Mangoboost，通过在四台计算机上进行计算，它在 Llama2 70B 测试中表现出了近四倍的性能。

英特尔历来在推理竞赛中推出仅使用 CPU 的系统，以表明对于某些工作负载，您实际上并不需要 GPU。这次看到了来自英特尔 Xeon 6 芯片的首批数据，该芯片以前称为 Granite Rapids，采用英特尔的 3 纳米工艺制造。在每秒 40,285 个样本的情况下，双 Xeon 6 计算机的最佳图像识别结果约为配备两个 Nvidia H100 的思科计算机性能的三分之一。

与 2024 年 10 月的 Xeon 5 结果相比，新 CPU 在该基准测试中提升了约 80%，在物体检测和医学成像方面的表现更是大幅提升。自 2021 年首次提交 Xeon 结果（Xeon 3）以来，该公司在 Resnet 上的性能提升了 11 倍。

目前，英特尔似乎已经退出了 AI 加速器芯片之争。其 Nvidia H100 的替代品Gaudi 3既未出现在新的 MLPerf 结果中，也未出现在去年 10 月发布的 4.1 版中。Gaudi 3 的发布时间晚于计划，因为其软件尚未准备好。在英特尔愿景 2025 （该公司仅限受邀参加的客户会议）的开幕词中，新任首席执行官陈立武 (Lip-Bu Tan) 似乎为英特尔在 AI 方面的努力表示歉意。他告诉与会者： “我对我们目前的状况不满意。你们也不满意。我清楚地听到了你们的声音。我们正在努力建立一个有竞争力的系统。这不会在一夜之间发生，但我们会为你们实现目标。”

谷歌的TPU v6e 芯片也表现出色，尽管结果仅限于图像生成任务。在 2024 年 10 月的结果中，4-TPU 系统以每秒 5.48 次查询的速度比使用其前身 TPU v5e 的类似计算机提高了 2.5 倍。即便如此，每秒 5.48 次查询的速度与使用 Nvidia H100 的类似尺寸的联想计算机大致相当。

*声明：本文系原作者创作。文章内容系其个人观点，我方转载仅为分享与讨论，不代表我方赞成或认同，如有异议，请联系后台。

想要获取半导体产业的前沿洞见、技术速递、趋势解析，关注我们！