FET: Small: AlignMEM: Fast and Efficient DNA Sequence Alignment in Non-Volatile Magnetic RAM

FET:小型:AlignMEM:非易失性磁性 RAM 中快速高效的 DNA 序列比对

基本信息

  • 批准号:
    2003749
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 49.13万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-08-01 至 2023-11-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The state-of-the-art DNA sequencing technologies could generate Terabytes of DNA sequence data in a single run, and their throughput is expected to increase 3-5 times each year in the coming years. In order to apply these big DNA-data into follow-up complex disease diagnostics/prognostics, such as cancer risk assessment, tailor patient treatment, and prenatal testing, they must be first aligned to a 3.2-billion-length human reference genome. However, the existing software tools for this purpose may need hours or days to align such large amount of DNA sequence data even with very powerful computing systems of today due to the 'memory wall' challenge in state-of-the-art computing architecture that describes the speed mismatch between memory units and computing units. To this end this, project leverages innovations from non-volatile nano-magnet based Magnetic Random Access Memory (MRAM) technology and in-memory computing architecture. If successful, it can achieve up to two orders magnitude higher computing performance, speed and energy efficiency for next-generation DNA sequence analysis system, which enables large-scale fast genomic data analytics to support research on various disease studies and biomedical applications. This project will develop new undergraduate/graduate level course modules on in-memory computing architecture and bioinformatics. This project will follow two main research tracks. The first one explores how to leverage the intrinsic non-volatile MRAM device property to efficiently develop ultra-parallel, reconfigurable in-memory logic required by DNA alignment computation and its big DNA-data Processing-in-Memory (PIM) accelerator architecture. The second research track will investigate how to develop fast DNA alignment-in-memory algorithm based on Burrows-Wheeler Transformation to match with the proposed MRAM based PIM platform and its large-scale genomic analysis application in disease phenotype prediction. Alignments generated will be used to estimate gene expression, and identify single nucleotide mutation events for patient samples, leading to molecular signatures for disease risk assessment.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
最先进的 DNA 测序技术可以在一次运行中生成 TB 级的 DNA 序列数据,并且其吞吐量预计在未来几年每年将增加 3-5 倍。为了将这些大 DNA 数据应用于后续复杂疾病诊断/预后,例如癌症风险评估、定制患者治疗和产前检测,必须首先将它们与 32 亿长度的人类参考基因组进行比对。然而,即使使用当今非常强大的计算系统,用于此目的的现有软件工具也可能需要数小时或数天来对齐如此大量的 DNA 序列数据,因为最先进的计算架构中存在“内存墙”挑战,描述内存单元和计算单元之间的速度不匹配。为此,该项目利用基于非易失性纳米磁铁的磁随机存取存储器 (MRAM) 技术和内存计算架构的创新。如果成功,它可以使下一代DNA序列分析系统的计算性能、速度和能源效率提高两个数量级,从而实现大规模快速基因组数据分析,以支持各种疾病研究和生物医学应用的研究。该项目将开发有关内存计算架构和生物信息学的新本科/研究生课程模块。 该项目将遵循两个主要研究方向。第一个探索如何利用固有的非易失性 MRAM 器件特性来高效开发 DNA 比对计算及其大 DNA 数据内存处理 (PIM) 加速器架构所需的超并行、可重构内存逻辑。第二个研究方向将研究如何开发基于 Burrows-Wheeler 变换的快速 DNA 内存比对算法,以与所提出的基于 MRAM 的 PIM 平台及其在疾病表型预测中的大规模基因组分析应用相匹配。生成的比对将用于估计基因表达,并识别患者样本的单核苷酸突变事件,从而产生用于疾病风险评估的分子特征。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力优点和技术进行评估,被认为值得支持。更广泛的影响审查标准。

项目成果

期刊论文数量(27)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
PIM-Assembler: A Processing-in-Memory Platform for Genome Assembly
XMA2: A crossbar-aware multi-task adaption framework via 2-tier masks
  • DOI:
    10.3389/felec.2022.1032485
  • 发表时间:
    2022-12
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Fan Zhang;Li Yang;Jian Meng;J.-s. Seo;Yu Cao;Deliang Fan
  • 通讯作者:
    Fan Zhang;Li Yang;Jian Meng;J.-s. Seo;Yu Cao;Deliang Fan
ReDRAM: A Reconfigurable Processing-in-DRAM Platform for Accelerating Bulk Bit-Wise Operations
Harmonious Coexistence of Structured Weight Pruning and Ternarization for Deep Neural Networks
  • DOI:
    10.1609/aaai.v34i04.6138
  • 发表时间:
    2020-04
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Li Yang;Zhezhi He;Deliang Fan
  • 通讯作者:
    Li Yang;Zhezhi He;Deliang Fan
PIM-Aligner: A Processing-in-MRAM Platform for Biological Sequence Alignment
{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ patent.updateTime }}

Deliang Fan其他文献

Leveraging All-Spin Logic to Improve Hardware Security
利用全自旋逻辑提高硬件安全性
T-BFA: <underline>T</underline>argeted <underline>B</underline>it-<underline>F</underline>lip Adversarial Weight <underline>A</underline>ttack
T-BFA:<underline>T</underline>有针对性的<underline>B</underline>it-<underline>F</underline>唇形对抗重量<underline>A</underline>攻击
Computing with Spin-Transfer-Torque Devices: Prospects and Perspectives
使用自旋转移矩装置进行计算:前景与展望
Hybrid polymorphic logic gate using 6 terminal magnetic domain wall motion device
使用6端磁畴壁运动器件的混合多态逻辑门
High performance and energy-efficient in-memory computing architecture based on SOT-MRAM
基于SOT-MRAM的高性能、高能效内存计算架构

Deliang Fan的其他文献

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

{{ truncateString('Deliang Fan', 18)}}的其他基金

Collaborative Research: SaTC: CORE: Small: Understanding and Taming Deterministic Model Bit Flip attacks in Deep Neural Networks
协作研究:SaTC:核心:小型:理解和驯服深度神经网络中的确定性模型位翻转攻击
  • 批准号:
    2342618
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 49.13万
  • 项目类别:
    Standard Grant
CAREER: Efficient, Dynamic, Robust, and On-Device Continual Deep Learning with Non-Volatile Memory based In-Memory Computing System
职业:使用基于非易失性内存的内存计算系统进行高效、动态、鲁棒、设备上持续深度学习
  • 批准号:
    2342726
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 49.13万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
FET: Small: AlignMEM: Fast and Efficient DNA Sequence Alignment in Non-Volatile Magnetic RAM
FET:小型:AlignMEM:非易失性磁性 RAM 中快速高效的 DNA 序列比对
  • 批准号:
    2349802
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 49.13万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: FuSe: Efficient Situation-Aware AI Processing in Advanced 2-Terminal SOT-MRAM
合作研究:FuSe:先进 2 端子 SOT-MRAM 中的高效态势感知 AI 处理
  • 批准号:
    2414603
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 49.13万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Collaborative Research: FuSe: Efficient Situation-Aware AI Processing in Advanced 2-Terminal SOT-MRAM
合作研究:FuSe:先进 2 端子 SOT-MRAM 中的高效态势感知 AI 处理
  • 批准号:
    2328803
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 49.13万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Collaborative Research: SaTC: CORE: Small: Secure and Robust Machine Learning in Multi-Tenant Cloud FPGA
协作研究:SaTC:CORE:小型:多租户云 FPGA 中安全且稳健的机器学习
  • 批准号:
    2411207
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 49.13万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: SaTC: CORE: Small: Secure and Robust Machine Learning in Multi-Tenant Cloud FPGA
协作研究:SaTC:CORE:小型:多租户云 FPGA 中安全且稳健的机器学习
  • 批准号:
    2153525
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 49.13万
  • 项目类别:
    Standard Grant
CAREER: Efficient, Dynamic, Robust, and On-Device Continual Deep Learning with Non-Volatile Memory based In-Memory Computing System
职业:使用基于非易失性内存的内存计算系统进行高效、动态、鲁棒、设备上持续深度学习
  • 批准号:
    2144751
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 49.13万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Collaborative Research: SaTC: CORE: Small: Understanding and Taming Deterministic Model Bit Flip attacks in Deep Neural Networks
协作研究:SaTC:核心:小型:理解和驯服深度神经网络中的确定性模型位翻转攻击
  • 批准号:
    2019548
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 49.13万
  • 项目类别:
    Standard Grant
E2CDA: Type II: Non-Volatile In-Memory Processing Unit: Memory, In-Memory Logic and Deep Neural Network
E2CDA:II 类:非易失性内存中处理单元:内存、内存中逻辑和深度神经网络
  • 批准号:
    2005209
  • 财政年份:
    2019
  • 资助金额:
    $ 49.13万
  • 项目类别:
    Continuing Grant

相似国自然基金

诊疗一体化PS-Hc@MB协同训练介导脑小血管病康复的作用及机制研究
  • 批准号:
    82372561
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    49 万元
  • 项目类别:
    面上项目
非小细胞肺癌MECOM/HBB通路介导血红素代谢异常并抑制肿瘤起始细胞铁死亡的机制研究
  • 批准号:
    82373082
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    49 万元
  • 项目类别:
    面上项目
基于胆碱能皮层投射纤维探讨脑小血管病在帕金森病步态障碍中的作用及机制研究
  • 批准号:
    82301663
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    30 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
关于丢番图方程小素数解上界估计的研究
  • 批准号:
    12301005
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    30 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
嗅球小胶质细胞P2X7受体在变应性鼻炎发生帕金森病样改变中的作用与机制研究
  • 批准号:
    82371119
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    49 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似海外基金

Powering Small Craft with a Novel Ammonia Engine
用新型氨发动机为小型船只提供动力
  • 批准号:
    10099896
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 49.13万
  • 项目类别:
    Collaborative R&D
"Small performances": investigating the typographic punches of John Baskerville (1707-75) through heritage science and practice-based research
“小型表演”:通过遗产科学和基于实践的研究调查约翰·巴斯克维尔(1707-75)的印刷拳头
  • 批准号:
    AH/X011747/1
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 49.13万
  • 项目类别:
    Research Grant
人工知能に基づく非線形高次元小標本データ解析とその社会的応用
基于人工智能的非线性高维小样本数据分析及其社会应用
  • 批准号:
    24K14847
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 49.13万
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Fragment to small molecule hit discovery targeting Mycobacterium tuberculosis FtsZ
针对结核分枝杆菌 FtsZ 的小分子片段发现
  • 批准号:
    MR/Z503757/1
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 49.13万
  • 项目类别:
    Research Grant
Bacteriophage control of host cell DNA transactions by small ORF proteins
噬菌体通过小 ORF 蛋白控制宿主细胞 DNA 交易
  • 批准号:
    BB/Y004426/1
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 49.13万
  • 项目类别:
    Research Grant
{{ showInfoDetail.title }}

作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了