学位論文 配列類似性検索のFPGAを用いた並列演算

中井, 康介  ,  ナカイ, コウスケ  ,  Nakai, Kosuke

pp.1 - 25 , 2016-03-25 , The University of Electro-Communications
内容記述
2種の生物学的配列から類似箇所を算出する配列類似性検索は,バイオインフォマティクスの分野で広く利用されている.またBLAST(Basic Local Alignment Search Tool)は,既知な配列データベースから,クエリ配列と類似した配列を検索し,類似度を示す高速なシーケンスアラインメントアルゴリズムとして利用されている.この配列データベースは,学者により新しい配列が日々発見され,増加している.日々増加する配列データベースのようなビッグデータ解析において,データの増加速度の方がプロセッサの速度向上よりも速いため,計算性能の向上が求められる.この向上方法として,専用ハードウェアによるBLASTの処理の一部または全体を,FPGAにオフロードする研究は多く行われてきた.FPGAによるデータの入力速度で計算する手法に取り組むことは解析時間の短縮に多く貢献する.別の向上方法として,複数の計算機によるBLASTの並列化であるmpiBLASTといった取り組みがある.計算処理を高速化する点と計算処理の並列化する点,ふたつの観点からのBLASTの高速化取り組み方法があるが,どちらの研究も個別の観点からの実装である.そこで両方の観点からBLASTの専用ハードウェアによる並列演算の取り組みが必要となる.本研究では,先行研究で行われた並列演算するためのデータパーティショニングのハードウェア実装とBLASTにおける処理負荷が高い部分のハードウェア実装を結合し,mpiBLASTで行われるCPU処理の一部を専用ハードウェアにオフロードする.またBLASTの一部処理をデータI/Oの速度で処理を行える専用ハードウェアを開発し,BLASTの並列演算の高速化を図る.実装したハードウェアに対し,mpiBLASTと実行時間を比較し,データパーティショニングでは1.1倍,BLASTでは6.5~840倍の高速化を確認した.また並列演算全体の実行時間を見積もり,1.16~2.64倍の高速化を確認した.

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