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Xilinx FPGA在基因组测序中的优势

2018年07月11日 08:33 次阅读

引言:

       PrecisionFDA平台是基因组信息学社区和共享数据平台,这是一个为研究人员准备的开源、基于云的工具,它将为下一代测序诊断提供依据,并且为所有开发者提供统一的、可共享的在线基因组信息数据库,使研究人员和测试开发人员可以探索NGS方法,推动创新以制定必要的标准,推动科学的监管、评估基因测序和软件的准确性。要做到测序的准确性,需要什么算法和相应的硬件平台的支撑呢?

Xilinx FPGA在基因组测序中的优势

最近,有一个挑战叫做“隐藏的宝藏(Hidden Treasures)”,这一挑战测试了基因组分析管道的能力和准确性,以便从参考细胞系的外显基因序列测序中发现在FASTQ中所注入的硅氧体,FASTQ文件是基于文本的,用于存储使用ASCII编码的生物序列。PrecisionFDA于2017年10月4日在波士顿举行的基因组学节上宣布了这一挑战的结果。有86个来自30个参与者的有效条目,在86个条目中,有45个发现了50个注入的变异。在所有50种被注射的变异中Edico Genome’s DRAGEN V2 的Germline Pipeline在6个准确度指标中的5个中获得了最高的分数,分别是SNP recall,SNP F-score,indel precision,indel recall和indel F-socre。Edico在6个指标上排名第二的条目是SNP precision。

为什么Edico Genome能够取得这么好的成绩呢?我们来简单的回顾一下这中间的历史。起初Edico Genome公司想要将其加速算法移植到ASIC上,设计一个ASIC需要较长的时间,算法也在不断的更新使设计ASIC的方案变得捉襟见肘,公司发现将算法直接移植到Xilinx的FPGA上是一个不错的选择,从性能和时间成本上都能解决这个问题。图.1是第一代的基于Xilinx FPGA的Dragen板卡,基于FPGA的Dragen板卡将外显子运行时间减小到了6分钟,而纯软件的外显子运行时间是6个小时,所以基于FPGA的硬件加速方案得到了50-60倍速度的提升。经过几年的发展,很多的算法都偏向于在云端运行,所以Edico Genome将基因分析和存储的算法移植到了Amazon的AWS EC2 F1 Instance平台上,这个平台还是多亏了有Xilinx UltraScale+ VU9P FPGAs,详情可见“AWS makes Amazon EC2 F1 instance hardware acceleraTIon based on Xilinx Virtex UltraScale+ FPGAs generally available.”有了Amazon的平台,基因算法和基于云端的基因存储得到了2-4倍的压缩,提升更多的效率。

Xilinx FPGA在基因组测序中的优势

图.1 Edico Genome Dragen应用于Exome和Genome分析的加速卡

Virtex UltraScale+有着很好的性能,采用了先进的FinFET工艺,有着最高串行I/O58G的速度,在DSP计算性能21.2 TeraMACs中有着最高的处理数据的带宽,在深度学习、数据中心互联方案等方面都能发挥很好的作用。

总结:

       下一代基因组测序(Next GeneraTIon Sequencing ,NGS)是一个很有意义的工作,全球很多国家都在积极的参与这件事情。这需要多个学科的结合,不仅仅是生命科学,计算机科学的软件和硬件都可以在这个人类的大工程中发挥强大的力量。硬件加速比软件加速在特定的算法中有着得天独厚的优势,本文中所提到的基因组的测序的例子就能体现。FPGA是在ASIC出现之前针对特定的算法的硬件加速有着独特的优势!

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发表于 2018-06-22 14:57 87次阅读
Xilinx FPGA对数字信号处理的性能

关于基于分段多项式近似的DDFS研究及FPGA实...

感应式磁力仪基于法拉第电磁感应原理,用于探测近地空间的低频交变磁场[1],它通常自带标准信号源,用于...

发表于 2018-06-22 14:55 338次阅读
关于基于分段多项式近似的DDFS研究及FPGA实...

分布式算法是一项重要的FPGA技术

式中:xb(n) 表示第n个数据的第b位。由于x(n)为有限位数据,且xb(n)的取值为[0,1],...

发表于 2018-06-22 14:53 501次阅读
分布式算法是一项重要的FPGA技术

关于基于前导的OFDM系统信道估计及FPGA实现

正交频分复用(OFDM)由于具有抗多径衰落,频谱利用率高等特点,因而被广泛用于无线通信系统中。但是由...

发表于 2018-06-22 14:51 408次阅读
关于基于前导的OFDM系统信道估计及FPGA实现

获得高校、专家一致认可的小脚丫FPGA开发板到底...

背景 微控制器作为目前嵌入式系统设计的主力军在各行各业得到了广泛的应用,但随着物联网、智能硬件、VR...

发表于 2018-06-22 11:35 108次阅读
获得高校、专家一致认可的小脚丫FPGA开发板到底...

基于FPGA的异步FIFO的实现

大家好,又到了每日学习的时间了,今天我们来聊一聊基于FPGA的异步FIFO的实现。 一、FIFO简介...

发表于 2018-06-21 11:15 993次阅读
基于FPGA的异步FIFO的实现

揭秘造芯黑马的神秘面纱

如果说目前高端集成电路的落后现状是因为我国相关产业起步晚、积累少导致的,对于如今再次兴起的人工智能浪...

发表于 2018-06-21 08:02 665次阅读
揭秘造芯黑马的神秘面纱

FPGA和CPU如何搭配?

如下图,FPGA作为协处理器,CPU把指令写入内存,FPGA从内存读取指令执行,并把计算结果写入内存...

发表于 2018-06-20 15:17 558次阅读
FPGA和CPU如何搭配?

FPGA学习系列:21. 自动售货机的设计

设计背景: 我们从开始学习 FPGA。到现在也慢慢的学到了血多的东西,那么我们就应该慢慢的去学习深一...

发表于 2018-06-20 10:41 1047次阅读
FPGA学习系列:21. 自动售货机的设计

关于FFT硬件实现,设计中RAM输出端为何没有使...

以2048点为例,根据理论值计算,计算一次2048点的IFFT的时间应为130us。在采用流水线的方...

发表于 2018-06-20 09:05 722次阅读
关于FFT硬件实现,设计中RAM输出端为何没有使...

关于PIC和FPGA的区别及优缺点总结

FPGA是逻辑门器件,可以配置成为并行逻辑模块。FPGA最大优点是并行处理。例如构建一百个与非门,F...

发表于 2018-06-19 16:20 641次阅读
关于PIC和FPGA的区别及优缺点总结

增强机器学习能力的“左膀右臂”的GPU、FPGA...

FPGA是帮助公司和研究人员解决问题的芯片。FPGA是一种集成电路,可以编程为多种用途。它有一系列“...

发表于 2018-06-19 15:27 642次阅读
增强机器学习能力的“左膀右臂”的GPU、FPGA...