高速なヒトＤＮＡ解読実現のための小規模計算機システムの構築

高速人类DNA解码小型计算机系统的构建

基本信息

批准号：
16J01690
负责人：
曽我部陽光
金额：
$ 1.09万
依托单位：
University of Tsukuba
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-22 至 2018-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は、ヒトの塩基配列決定のための情報処理（ショート・マッピング）を、パーソナルコンピュータ（ホストPC）とPCI Expressによって接続された書き換え可能なLSIであるFPGA（Field Programmable Gate Array）及び画像処理用のプロセッサであるGPU（Graphics Processing Unit）という小規模な計算機システムで、高速処理を実現することを目標とする。本研究では、初めに同種のデータを集め、集められたデータを大規模並列に比較することで高速化を図る並列処理手法を提案した。本手法は、総比較回数が従来手法より増加する一方で、メモリアクセスに対する要求を大幅に減らし、増加した総比較回数も並列処理することで全体として高速化を実現している。本手法の有効性を示すために、FPGA及びGPUシステム上に実装し、実データを用いて性能評価を行い、従来のソフトウェアと比較して、FPGAシステムで約18倍、GPUシステムで約8倍の高速化を達成することを示した。この性能は、一人分のDNA配列の決定に必要な情報処理をそれぞれ約1時間、約2時間で処理できる性能であり、本手法を用いれば、小規模な計算機システムでありながら実用的な時間でヒトの塩基配列決定を実現できることを示した。最後に、本研究の計算機システム分野における貢献を述べる。本研究の対象とした処理は、潜在的な並列性が非常に高い一方で、大規模なデータに対して局所性が低い参照を頻繁に行う問題である。このような問題は、ランダムアクセスによるメモリ転送速度がボトルネックとなるため、並列処理で大幅な高速化を実現することが難しいと考えられて来た。本研究は、その定説に挑戦したものであり、本研究の成果を通して、他の同様の問題に対しても、突破口のヒントを与えうるものである。

这项研究旨在使用称为现场可编程门阵列（FPGA）的小型计算机系统实现高速处理，该系统是由个人计算机（主机PC）和PCI Express连接的可重写的LSI，以及图形处理单元（GPU）（图形处理单元），即用于图像处理的处理器。在这项研究中，我们提出了一种并行处理方法，该方法首先收集相同类型的数据，并比较大规模并行性的收集数据以提高速度。尽管比较总数与常规方法相比增加，但该方法大大减少了对内存访问的需求，并且比较总数的增加也可以并行处理，从而实现了总体加速。为了证明该方法的有效性，该系统是在FPGA和GPU系统上实现的，并使用实际数据进行了性能评估，并且与常规软件相比，FPGA系统的速度增加了约18倍，而GPU系统的速度约为8倍。这种性能允许处理大约1小时和大约2小时内确定一个人的DNA序列所需的信息，并且表明，尽管使用这种方法，但尽管是一个小规模的计算机系统，但可以在实用时间内实现人类基础测序。最后，我们将讨论这项研究在计算机系统领域的贡献。本研究中针对的处理是一个问题，通常涉及大规模数据的参考，同时仍然具有很高的潜在并行性。人们认为，由于随机访问引起的记忆转移速度变成瓶颈，因此很难在并行处理中实现显着的加速。这项研究对该理论进行了挑战，并通过这项研究的结果可以为突破性的其他类似问题提供暗示。

项目成果

期刊论文数量（0）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

A Fast and Accurate FPGA System for Short Read Mapping Based on Parallel Comparison on Hash Table

基于哈希表并行比较的快速准确短读映射FPGA系统

DOI：
10.1587/transinf.2016edp7262
发表时间：
2017
期刊：
IEICE Transactions on Information and Systems
影响因子：
0.7
作者：
KOBAYASHI;Hajime;小林茂・岡田郷子・小林基・鈴木涼子・波江彰彦・鳴海邦匡・藤山友治・山近久美子・山本健太・渡辺理絵;Yoko SOGABE and Tsutomu MARUYAMA
通讯作者：
Yoko SOGABE and Tsutomu MARUYAMA