[论文解读] Transport or Store? Synthesizing Flow-based Microfluidic Biochips using Distributed Channel Storage

Chunfeng Liu, Bing Li+4 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2017

Electrowetting and Microfluidic Technologies被引用 12

一句话总结

本文提出了一种用于基于流的微流控生物芯片的新型架构综合框架，采用分布式通道存储——即临时将流体样本缓存在运输通道中，而非依赖专用存储单元。通过将运输与存储建模为连接网格上的统一角色，并在调度过程中动态解决冲突，该方法将阀的数量最多减少28%，执行效率最高提升28%，同时保持或略微增加执行时间，展现出更优的资源效率与性能。

ABSTRACT

Flow-based microfluidic biochips have attracted much atten- tion in the EDA community due to their miniaturized size and execution efficiency. Previous research, however, still follows the traditional computing model with a dedicated storage unit, which actually becomes a bottleneck of the performance of bio- chips. In this paper, we propose the first architectural synthe- sis framework considering distributed storage constructed tem- porarily from transportation channels to cache fluid samples. Since distributed storage can be accessed more efficiently than a dedicated storage unit and channels can switch between the roles of transportation and storage easily, biochips with this dis- tributed computing architecture can achieve a higher execution efficiency even with fewer resources. Experimental results con- firm that the execution efficiency of a bioassay can be improved by up to 28% while the number of valves in the biochip can be reduced effectively.

研究动机与目标

• 解决基于流的微流控生物芯片中专用存储单元导致的性能瓶颈。
• 通过将流动通道重新用作临时存储，消除对专用存储硬件的需求。
• 在单一连接网格模型中统一运输与存储角色，以实现更高效的架构综合。
• 在保持或改善执行时间的同时，减少资源使用量，尤其是阀的数量。
• 实现动态、冲突感知的调度，直接在综合阶段建模运输与存储的相互作用。

提出的方法

• 提出一种统一的连接网格模型，其中流动通道既作为运输路径，也作为临时存储位置。
• 将流体样本缓存建模为连接网格中的状态，使通道能够动态切换运输与存储角色。
• 在综合阶段直接应用带冲突建模的时间复用调度，避免后期处理的冲突解决。
• 采用混合整数线性规划（MILP）公式，联合优化调度与架构，同时满足存储约束。
• 实现一种动态路径构建机制，实时形成运输路径，并管理通道各段上的流体样本状态。
• 应用架构综合以修剪未使用的边和阀，减少资源使用量，同时保持功能正确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 分布式通道存储是否能在不降低执行时间的前提下，减少微流控生物芯片中所需的阀的数量？
• RQ2 与传统专用存储单元相比，流动通道在存储上的动态重用，在性能与资源效率方面表现如何？
• RQ3 在调度过程中进行冲突解决，能在多大程度上提升基于流的生物芯片的架构综合效率？
• RQ4 是否能通过统一的运输与存储模型降低架构综合与路由的复杂度？
• RQ5 用分布式通道缓存替代专用存储时，执行时间与资源使用量之间的权衡如何？

主要发现

• 与使用专用存储单元的设计相比，所提方法将阀的数量最多减少28%。
• 在资源更少的情况下，采用分布式通道存储可使执行效率最高提升28%。
• 连接网格中使用的边数显著减少——某些情况下比例接近0，表明资源被有效限制。
• 对于RA100检测，执行时间减少了约28%，其他基准测试中执行时间保持相同或略有增加。
• 该框架在使用更少边和阀的同时，实现了与传统方法相当或更优的执行时间，证明了其卓越的资源效率。
• 快照确认，流体样本成功缓存在通道段中（例如，C与D之间），且执行过程中动态路径实时形成。