[論文レビュー] RASSA: Resistive Pre-Alignment Accelerator for Approximate DNA Long Read Mapping

Roman Kaplan, Leonid Yavits+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2018

Genomics and Phylogenetic Studies参考文献 7被引用数 8

ひとこと要約

RASSAは、抵抗性メモリ内演算を用いて、DNA長リードマッピングを最小マップ2の77倍、GateKeeperの100倍高速化する抵抗性メモリ内アクセラレータであり、同等の精度を維持する。これはアナログ抵抗性コンピューティングを用いて、ハミング距離を効率的に推定することで、事前アラインメントを高速化する。

ABSTRACT

DNA read mapping is a computationally expensive bioinformatics task, required for genome assembly and consensus polishing. It requires to find the best-fitting location for each DNA read on a long reference sequence. A novel resistive approximate similarity search accelerator, RASSA, exploits charge distribution and parallel in-memory processing to reflect a mismatch count between DNA sequences. RASSA implementation of DNA long read pre-alignment outperforms the state-of-art solution, minimap2, by 16-77x with comparable accuracy and provides two orders of magnitude higher throughput than GateKeeper, a short-read pre-alignment hardware architecture implemented in FPGA.

研究の動機と目的

• ゲノムアセンブリーやポリッシュの重要なタスクであるDNA長リードマッピングにおける計算ボトル neck を解決すること。
• ハードウェアアクセラレーションを用いて、リファレンスゲノムに対する長リードの事前アラインメントを高速化すること。
• 抵抗性コンピューティングを用いて、長リード配列のための高スループット・低レイテンシ近似的な類似性検索を可能にすること。
• 精度にほとんど影響を与えることなく、既存のソフトウェア（minimap2）およびハードウェア（GateKeeper）ソリューションを上回る速度を達成すること。

提案手法

• RASSAは、DNA配列間のハミング距離を並列かつメモリ内ですべての計算を実行する抵抗性クロスバーアレイを採用する。
• DNA配列を抵抗素子にわたる電荷分布にマッピングし、抵抗値が不一致数を表す。
• 事前処理ステップで、抵抗性計算に適したバイナリ表現にDNA配列を変換する。
• アナログドメインでの計算を活用して、類似度スコアを並列に近似的に算出し、デジタル処理の必要性を低減する。
• 近似的なマッチングに最適化されており、誤差を最小限に抑えつつスループットを最大化することを目的としている。
• 既存のアラインメントパイプラインに統合され、下流の計算負荷を軽減するための事前フィルタリングアクセラレータとして機能する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 抵抗性メモリ内コンピューティングは、近似的なDNA配列アラインメントを高速化するために効果的に適用可能か？
• RQ2 RASSAのスループットと精度は、最先端のソフトウェア（minimap2）およびハードウェア（GateKeeper）ソリューションと比べてどの程度か？
• RQ3 アナログ抵抗性コンピューティングは、長リードマッピングにおいて顕著な高速化を達成しつつ、精度をどの程度維持できるか？
• RQ4 類似性推定のためのDNA配列を抵抗性電荷分布にマッピングする最適な戦略は何か？
• RQ5 RASSAは、リード長やリファレンスゲノムサイズの変動に応じて、性能をどの程度スケーリングできるか？

主な発見

• RASSAは、データセットや構成に応じて、最小マップ2の16〜77倍の高速化を事前アラインメント性能で達成する。
• GateKeeper（過去のFPGAベースの短リード事前アラインメントアクセラレータ）よりも2桁のスループット向上を達成する。
• RASSAの近似的なマッピングの精度は、最小マップ2と同等であり、下流のアラインメント品質への影響は最小限に抑えられる。
• 抵抗性クロスバーアーキテクチャにより、スケールに応じたハミング距離の並列計算が可能となり、レイテンシが顕著に低減される。
• アナログメモリ内処理を通じて、長リード配列の処理において優れたスケーラビリティと効率性を示す。
• 実装により、抵抗性コンピューティングが近似的な類似性検索を要するバイオインフォマティクスワークロードに実用的であることが示された。