[논문 리뷰] RASSA: Resistive Pre-Alignment Accelerator for Approximate DNA Long Read Mapping

Roman Kaplan, Leonid Yavits외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 02.

Genomics and Phylogenetic Studies참고 문헌 7인용 수 8

한 줄 요약

RASSA는 저항성 내장형 가속기로, 전하 분포와 병렬 처리를 사용하여 DNA 장독기 맵핑을 minimap2 대비 최대 77배 빠르게 수행하며 GateKeeper 대비 두 개의 지수 차수 빠르게 하면서도 유사한 정확도를 유지한다. 이는 유사도 측정을 위한 해밍 거리 추정을 효율적으로 수행함으로써 사전 정렬 단계를 가속화한다.

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.

연구 동기 및 목표

• Genome assembly 및 polishing에서 핵심 과제인 DNA 장독기 맵핑의 계산 병목 현상을 해결하기 위해.
• 하드웨어 가속을 통해 참조 게놈에 대한 장독기 DNA 서열의 사전 정렬을 가속화하기 위해.
• 저항성 컴퓨팅을 활용하여 장독기 DNA 서열에 대한 고속도, 저지연의 약간의 유사도 검색을 가능하게 하기 위해.
• 정확도는 유사한 수준을 유지하면서도 기존 소프트웨어(minimap2) 및 하드웨어(GateKeeper) 솔루션보다 빠른 속도를 달성하기 위해.

제안 방법

• RASSA는 DNA 서열 간 해밍 거리의 병렬 내장 계산을 수행하기 위해 저항성 크로스바 어레이를 사용한다.
• DNA 서열을 저항성 요소에 걸친 전하 분포로 매핑하며, 저항 값은 불일치 수를 나타낸다.
• 시스템은 저항성 계산에 적합한 이진 표현으로 DNA 서열을 변환하기 위한 사전 처리 단계를 사용한다.
• 디지털 처리의 필요성을 줄이기 위해 애널로그 도메인 계산을 활용하여 유사도 점수를 병렬로 근사한다.
• 정확도를 최소화하면서 처리량을 극대화하는 데 중점을 두어 약간의 매칭을 최적화한 아키텍처이다.
• 기존 정렬 파ip라인에 사전 필터링 가속기로 통합되어 후속 계산 부담을 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저항성 내장형 계산이 약간의 DNA 서열 정렬을 효과적으로 가속화하는 데 적용될 수 있는가?
• RQ2 RASSA의 처리량과 정확도는 최신 소프트웨어(minimap2) 및 하드웨어(GateKeeper) 솔루션과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 장독기 맵핑에서 상당한 속도 향상을 달성하면서도 애널로그 저항성 계산이 정확도를 얼마나 유지할 수 있는가?
• RQ4 DNA 서열을 저항성 전하 분포로 변환하는 최적의 매핑 전략은 무엇인가?
• RQ5 RASSA는 다양한 독기 길이 및 참조 게놈 크기에서 성능이 어떻게 스케일링되는가?

주요 결과

• RASSA는 데이터셋과 설정에 따라 minimap2 대비 16-77배의 사전 정렬 성능 향상을 달성한다.
• GateKeeper, 이전의 FPGA 기반 단독기 사전 정렬 가속기 대비 두 개의 지수 차수 높은 처리량을 제공한다.
• RASSA의 약간의 맵핑 정확도는 minimap2와 유사하며, 후속 정렬 품질에 미치는 영향은 최소한이다.
• 저항성 크로스바 아키텍처는 대규모에서 해밍 거리의 병렬 계산을 가능하게 하여 지연을 크게 감소시킨다.
• 유사도 추정을 위한 애널로그 내장형 처리를 통해 장독기 DNA 서열을 효율적으로 처리하는 데 강력한 확장성과 효율성을 보였다.
• 저항성 컴퓨팅이 약간의 유사도 검색이 필요한 생물정보학 워크로드에 실현 가능하다는 것이 입증되었다.