Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2016-04-05T14:47:50Z
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Previous issue date: 2015-08-17 / A partir da revelação da estrutura em dupla-hélice do DNA, em 1953, foi aberto o caminho para a compreensão dos mecanismos que codificam as instruções de construção e desenvolvimento das células dos seres vivos. A nova geração de sequenciadores (NGS) têm produzido gigantescos volumes de dados nos Bancos de Dados biológicos cujas informações podem demandar uma intensa atividade computacional em sua compilação. Entretanto, o desempenho das ferramentas empregadas na Biologia Computacional não tem evoluído na mesma taxa de crescimento desses bancos, podendo impor restrições aos avanços neste campo de pesquisa. Uma das principais técnicas usadas é o alinhamento de sequências que, a partir da identificação de similaridades, possibilitam a análise de regiões conservadas em sequências homólogas, servem como ponto de partida no estudo de estruturas secundárias de proteínas e de construção de àrvores filogenéticas, entre outros. Como os algoritmos exatos de alinhamento possuem complexidade quadrática no tempo e no espaço, o custo computacional poderá ser elevado demandando estratégias de aceleração. Neste contexto, a Computação de Alto Desempenho (HPC), estruturada em Supercomputadores e Clusters, tem sido, empregada. No entanto, o investimento inicial e os requisitos de manutenção, espaço físico, refrigeração, além do consumo de energia, podem representar custos significativos. As arquiteturas paralelas híbridas baseadas na ação conjunta de PCs e dispositivos aceleradores como chips VLSI, GPGPUs e FPGAs, surgiram como alternativas mais acessíveis, apresentando resultados promissores. O projeto descrito nesta dissertação tem por objetivo a aceleração do algoritmo de alinhamento-ótimo global, conhecido como Needleman-Wunsch, a partir de uma plataforma híbrida baseada em um PC (host) e um FPGA. A aceleração ocorre a partir da exploração das possibilidades de paralelismo oferecidas pelo algoritmo e sua implementação em hardware. A arquitetura desenvolvida é baseada num Array Sistólico Linear apresentando elevado desempenho e boa escalabilidade. / From the revelation of the structure in double-helix of Deoxyribonucleic Acid (DNA) by James D. Watson and Francis H. C. Crick, in 1953, it opened the way for the understanding of the mechanismis that encoding the building instructions and development of cells of living beings. The DNA sequencing is one of the first steps in this process. The new generation of sequencers (NGS) have produced massive amounts of data on biological databases whose information may require intense computational activity in your compilation. However, the performance of the tools employed in Computational Biology has not evolved at the same rate of growth of these banks, may impose restrictions on advances in this research field. One of the primary techniques used is the sequence alignment that from the identification of similarities, enable the analysis of conserved regions of homologous sequences, serve as the starting point in the study of protein secondary structures and the construction of phylogenetic trees, among others. As the exact alignment algorithms have quadratic complexity in time and space, the computational cost can be high demanding acceleration strategies. In this context, the High Performance Computing (HPC), structured in supercomputers and clusters, has been employed. However, the initial investment and maintenance requirements, floor space, cooling, in addition to energy consumption, may represent significant costs. The hybrid parallel architectures based on joint action of PCs and devices accelerators as VLSI chips, GPGPUs and FPGAs, have emerged as more affordable alternatives, with promising results. The project described in this dissertation aims at accelerating the global optimal-alignment algorithm, known as Needleman-Wunsch, from a hybrid platform based on a PC, that acts as host, and an FPGA. The acceleration occurs through exploration of the parallelism opportunities offered by the algorithm and implemented in hardware. In this, an architecture based on a Linear Systolic Array offers high performance and high scalability.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufpe.br:123456789/16317 |
| Date | 17 August 2015 |
| Creators | FIGUEIRÔA, Luiz Henrique Alves |
| Contributors | http://lattes.cnpq.br/4235825596747458, LIMA, Manoel Eusébio de |
| Publisher | Universidade Federal de Pernambuco, Programa de Pos Graduacao em Ciencia da Computacao, UFPE, Brasil |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFPE, instname:Universidade Federal de Pernambuco, instacron:UFPE |
| Rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil, http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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