面向生物信息學(xué)的可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)研究.pdf

1、人類基因組測序工作完成后，對基因數(shù)據(jù)的處理和分析能力提出了更高的要求。計(jì)算是生物信息學(xué)的基本研究方法之一，其算法的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量較大、算法比較簡單、運(yùn)算類型單一、重復(fù)性較強(qiáng)、潛在的并行度較高。用現(xiàn)有的大規(guī)模并行機(jī)或超級服務(wù)器等通用系統(tǒng)解決這些問題，既浪費(fèi)系統(tǒng)的資源，使用維護(hù)也比較復(fù)雜，有些問題甚至無法在限定的時(shí)間內(nèi)完成?？芍貥?gòu)計(jì)算就是一種行之有效的解決方案，這種解決方案不僅能夠有效地對一些最常用的算法進(jìn)行加速，而且能夠快速適應(yīng)算法的變化。

2、本文的工作緊密結(jié)合面向生物信息處理的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)這一項(xiàng)目的需求，分別基于PCI-X總線和DDR SDRAM總線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩種比較通用的算法可重構(gòu)加速卡，并討論了DDR SDRAM接口設(shè)計(jì)、PCI-X接口設(shè)計(jì)、ZBT SRAM接口設(shè)計(jì)等內(nèi)容。在算法的硬件實(shí)現(xiàn)方面，本文系統(tǒng)地討論了兩條序列相似性的比較問題，詳細(xì)闡述了編輯距離的原始算法和化簡的方法以及從算法到邏輯的映射方法，根據(jù)這一方法提出了一種簡單而高效的處理器單元(PE：Process

3、ing Element)的設(shè)計(jì)方法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了脈動(dòng)陣列的設(shè)計(jì)和完整的編輯距離算法核心處理邏輯電路設(shè)計(jì)?；贏ltera公司的FPGA—Stratix lS30，本文在加速卡上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了3072個(gè)PE，其工作頻率限定為133.3MHz，峰值計(jì)算能力為409.6GCUPS(Giga Cell Update PerSecond)。加速比測試結(jié)果表明，與通用CPU相比，在序列比較長時(shí)(數(shù)十K對數(shù)百K長度)，該卡最高可以得到3000

4、倍以上的加速比，即使是在序列長度為幾K時(shí)，也仍能取得兩個(gè)數(shù)量級左右的加速比。在實(shí)際的應(yīng)用中，本文利用硬件加速卡對多序列聯(lián)配程序ClustalW的第一個(gè)計(jì)算步驟——序列兩兩最優(yōu)聯(lián)配過程進(jìn)行了加速。測試過程中使用了隨機(jī)生成的長度為3Kbp的序列，當(dāng)序列的數(shù)量在100～1000條范圍變化時(shí)，多序列聯(lián)配的整體加速比與序列的數(shù)量基本上成正比關(guān)系，在這個(gè)范圍內(nèi)最高可以得到近35倍的整體加速比，顯示出了硬件加速卡在實(shí)際系統(tǒng)中的良好的應(yīng)用前景。在此基礎(chǔ)