一个基于FPGA的硬件加速器,支持敏感序列同质性过与隐藏的Markov模型
Tim Anderson1, Travis J Wheeler2
1Department of Computer Science, University of Montana, Missoula, MT, USA.
BMC bioinformatics
|July 29, 2024
概括
我们开发了HAVAC,这是一款用于配置隐藏马尔科夫模型 (pHMM) 对齐的硬件加速器,显著加快了基因组序列注释. 这种基于FPGA的解决方案提高了生物信息学分析的效率,并降低了能源消耗.
科学领域:
- 生物信息学是一种生物信息学.
- 计算生物学 计算生物学
- 基因组学就是基因组学.
背景情况:
- 序列对齐对于基因组注释至关重要.
- 配置文件隐藏的马尔科夫模型 (pHMMs) 为序列对齐提供了比BLAST更高的灵敏度.
- 在HMMER工具的序列特定值 (SSV) 计算是一个计算瓶.
研究的目的:
- 在HMMER中开发SSV计算步骤的硬件加速器.
- 为了提高基于pHMM的序列对齐的速度和效率.
- 为了证明FPGA硬件加速器在生物信息学中的实用性.
主要方法:
- 设计和实施了HAVAC,这是一个现场可编程门阵列 (FPGA) 硬件加速器.
- 针对序列特定值 (SSV) 矩阵计算,这是HMMER的一个关键瓶.
- 在Xilinx Alveo U50 FPGA卡上评估了HAVAC的性能.
主要成果:
- 哈瓦克实现了1739GCUPS,比nhmmer的SSV实现速度快227倍.
- 考虑到数据传输,HAVAC的速度是nhmmer.com的65倍 (1线程) 和35倍 (4线程) 快.
- 哈瓦克利用了高端英特尔CPU所消耗的31%的能量.
结论:
- 像HAVAC这样的FPGA硬件加速器为序列注释提供了大幅度的速度改进.
- 哈瓦克释放了主机CPU,可以同时计算其他分析管道方面.
- 这项工作突出了硬件加速在推进生物信息学应用中的潜力.
