[논문 리뷰] GateKeeper: Enabling Fast Pre-Alignment in DNA Short Read Mapping with a New Streaming Accelerator Architecture.

Mohammed Alser, Hasan Hassan외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 06.

Genomics and Phylogenetic Studies참고 문헌 53인용 수 4

한 줄 요약

GateKeeper는 FPGA 기반의 스트리밍 가속기 아키텍처로, 잘못된 후보 위치를 조기에 걸러내는 방식으로 DNA 단일 읽기 매핑에서 빠른 사전 정렬을 가능하게 한다. 현장 프ogrammable 게이트 어레이(FPGA)를 활용해 실시간으로 스트리밍 유사도 검사를 수행함으로써, 최신 사전 정렬 기법(SHD) 대비 최대 17.3배의 성능 향상을 달성하고, BWA 및 BFAST와 같은 하드웨어 가속 도구 대비 100배 이상의 성능 향상을 이룬다.

ABSTRACT

Genome analysis helps to reveal the genomic variants that cause diseases and evolution of species. Unfortunately, high throughput DNA sequencing (HTS) technologies generate excessive number of small DNA segments -called short reads- that incur significant computational burden. To analyze the entire genome, each of the billions of short reads must be mapped to a reference genome through a computationally expensive process. Due to sequencing errors and genomic variants, the similarity measurement between a read and locations in the reference genome, called alignment, is formulated as an approximate string-matching problem, which is solved using quadratic-time dynamic programming algorithms. In practice, the majority of candidate locations do not align with a given read due to high dissimilarity. The verification process of such candidate locations occupies most of a modern read mapper's execution time. We propose GateKeeper, a new architecture that functions as a pre-alignment step that quickly filters out most incorrect candidate locations. The main idea of GateKeeper is to filter out the incorrect mappings in a streaming fashion using Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs). By excluding the incorrect mappings at an early stage, we reduce the number of candidate verifications in the rest of the execution, and thus accelerate the read mapping. GateKeeper is the first design to accelerate pre-alignment using new hardware technologies. On a single FPGA chip, it provides up to 17.3-fold speedup over the state-of-the-art pre-alignment technique, SHD. GateKeeper can provide more than two orders of magnitude speedup over other hardware-accelerated mapping tools such as BWA and BFAST.

연구 동기 및 목표

• 고속 시퀀싱에서 수십억 개의 단일 DNA 읽기를 참조 게놈에 정렬하는 데 드는 높은 계산 비용을 해결하기 위해.
• 현대 읽기 매핑 도구에서 실행 시간의 대부분을 차지하는 잘못된 후보 매핑 검증에 소요되는 시간을 줄이기 위해.
• 스트리밍 처리를 통해 FPGA에서 작동하는 새로운 하드웨어 아키텍처를 설계하여 사전 정렬을 가속화하기 위해.
• 기존 소프트웨어 및 하드웨어 가속 매핑 도구 대비 뚜렷한 성능 향상을 달성하기 위해.

제안 방법

• GateKeeper는 현장 프로그래밍 가능한 게이트 어레이(FPGA)에서 스트리밍 아키텍처를 사용하여 후보 매핑을 실시간으로 평가한다.
• 완전한 동적 프로그래밍 정렬 이전에 단일 읽기와 후보 참조 위치 간의 빠르고 근사적인 유사도 검사를 수행한다.
• 유사도가 떨어지는 읽기-참조 쌍을 효율적으로 필터링하기 위해 저지연, 고처리량 설계를 최적화한다.
• FPGA의 병렬 처리 능력과 스트리밍 데이터 플로우를 활용하여 사전 정렬 중에 유휴 시간을 최소화하고 처리량을 극대화한다.
• 기존 읽기 매핑 도구와의 통합을 위해 주 정렬 엔진으로 전송되는 후보 수를 줄이는 전처리 필터 역할을 한다.
• 피이프라인 방식으로 k-머 또는 부분 문자열을 비교하는 새로운 하드웨어 논리를 사용하여 일치하지 않는 후보를 조기에 거부한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하드웨어 가속 사전 정렬 단계가 비용이 많이 드는 동적 프로그래밍 검증이 필요한 후보 매핑 수를 크게 줄일 수 있는가?
• RQ2 FPGA 기반 스트리밍 아키텍처는 성능 및 처리량 측면에서 소프트웨어 기반 사전 정렬 기법과 비교해 어떻게 성능을 내는가?
• RQ3 BWA 및 BFAST와 같은 최신 도구와 비교해 사전 정렬 가속화가 전체 DNA 단일 읽기 매핑 성능에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 단일 FPGA 칩을 사용해 새로운 사전 정렬 아키텍처로 달성 가능한 최대 성능 향상은 어느 정도인가?

주요 결과

• GateKeeper는 단일 FPGA 칩에서 최신 사전 정렬 기법인 SHD 대비 최대 17.3배의 성능 향상을 달성한다.
• BWA 및 BFAST와 같은 하드웨어 가속 매핑 도구 대비 100배 이상(2개 이상의 주기수)의 성능 향상을 제공한다.
• FPGA 기반 스트리밍 설계 덕분에 잘못된 후보 매핑을 실시간으로 필터링할 수 있어 후속 정렬 단계의 부담을 줄였다.
• 유사도가 떨어지는 후보를 조기에 걸러내어 동적 프로그래밍 정렬의 계산 부담을 크게 감소시켰다.
• 이 아키텍처는 FPGA를 활용해 사전 정렬을 가속화한 최초의 사례로, 유전체 작업에 맞는 맞춤형 하드웨어의 잠재력을 입증했다.
• 성능 향상의 원인은 비일치하는 읽기를 조기에 거부하기 위해 FPGA의 병렬 처리 능력과 스트리밍 데이터 플로우를 효율적으로 활용한 데 있다.