FPGAを用いた最節約法による進化系統樹構築アルゴリズムの高速化

筑波大学 (University of Tsukuba)201

On FPGA implementations for bioinformatics, neural prosthetics and reinforcement learning problems.

Mak Sui Tung Terrence.Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2005.Includes bibliographical references (leaves 132-142).Abstracts in English and Chinese.Abstract --- p.iList of Tables --- p.ivList of Figures --- p.vAcknowledgements --- p.ixChapter 1. --- Introduction --- p.1Chapter 1.1 --- Bioinformatics --- p.1Chapter 1.2 --- Neural Prosthetics --- p.4Chapter 1.3 --- Learning in Uncertainty --- p.5Chapter 1.4 --- The Field Programmable Gate Array (FPGAs) --- p.7Chapter 1.5 --- Scope of the Thesis --- p.10Chapter 2. --- A Hybrid GA-DP Approach for Searching Equivalence Sets --- p.14Chapter 2.1 --- Introduction --- p.16Chapter 2.2 --- Equivalence Set Criterion --- p.18Chapter 2.3 --- Genetic Algorithm and Dynamic Programming --- p.19Chapter 2.3.1 --- Genetic Algorithm Formulation --- p.20Chapter 2.3.2 --- Bounded Mutation --- p.21Chapter 2.3.3 --- Conditioned Crossover --- p.22Chapter 2.3.4 --- Implementation --- p.22Chapter 2.4 --- FPGAs Implementation of GA-DP --- p.24Chapter 2.4.1 --- System Overview --- p.25Chapter 2.4.2 --- Parallel Computation for Transitive Closure --- p.26Chapter 2.4.3 --- Genetic Operation Realization --- p.28Chapter 2.5 --- Discussion --- p.30Chapter 2.6 --- Limitation and Future Work --- p.33Chapter 2.7 --- Conclusion --- p.34Chapter 3. --- An FPGA-based Architecture for Maximum-Likelihood Phylogeny Evaluation --- p.35Chapter 3.1 --- Introduction --- p.36Chapter 3.2 --- Maximum-Likelihood Model --- p.39Chapter 3.3 --- Hardware Mapping for Pruning Algorithm --- p.41Chapter 3.3.1 --- Related Works --- p.41Chapter 3.3.2 --- Number Representation --- p.42Chapter 3.3.3 --- Binary Tree Representation --- p.43Chapter 3.3.4 --- Binary Tree Traversal --- p.45Chapter 3.3.5 --- Maximum-Likelihood Evaluation Algorithm --- p.46Chapter 3.4 --- System Architecture --- p.49Chapter 3.4.1 --- Transition Probability Unit --- p.50Chapter 3.4.2 --- State-Parallel Computation Unit --- p.51Chapter 3.4.3 --- Error Computation --- p.54Chapter 3.5 --- Discussion --- p.56Chapter 3.5.1 --- Hardware Resource Consumption --- p.56Chapter 3.5.2 --- Delay Evaluation --- p.57Chapter 3.6 --- Conclusion --- p.59Chapter 4. --- Field Programmable Gate Array Implementation of Neuronal Ion Channel Dynamics --- p.61Chapter 4.1 --- Introduction --- p.62Chapter 4.2 --- Background --- p.63Chapter 4.2.1 --- Analog VLSI Model for Hebbian Synapse --- p.63Chapter 4.2.2 --- A Unifying Model of Bi-directional Synaptic Plasticity --- p.64Chapter 4.2.3 --- Non-NMDA Receptor Channel Regulation --- p.65Chapter 4.3 --- FPGAs Implementation --- p.65Chapter 4.3.1 --- FPGA Design Flow --- p.65Chapter 4.3.2 --- Digital Model of NMD A and AMPA receptors --- p.65Chapter 4.3.3 --- Synapse Modification --- p.67Chapter 4.4 --- Results --- p.68Chapter 4.4.1 --- Simulation Results --- p.68Chapter 4.5 --- Discussion --- p.70Chapter 4.6 --- Conclusion --- p.71Chapter 5. --- Continuous-Time and Discrete-Time Inference Networks for Distributed Dynamic Programming --- p.72Chapter 5.1 --- Introduction --- p.74Chapter 5.2 --- Background --- p.77Chapter 5.2.1 --- Markov decision process (MDPs) --- p.78Chapter 5.2.2 --- Learning in the MDPs --- p.80Chapter 5.2.3 --- Bellman Optimal Criterion --- p.80Chapter 5.2.4 --- Value Iteration --- p.81Chapter 5.3 --- A Computational Framework for Continuous-Time Inference Network --- p.82Chapter 5.3.1 --- Binary Relation Inference Network --- p.83Chapter 5.3.2 --- Binary Relation Inference Network for MDPs --- p.85Chapter 5.3.3 --- Continuous-Time Inference Network for MDPs --- p.87Chapter 5.4 --- Convergence Consideration --- p.88Chapter 5.5 --- Numerical Simulation --- p.90Chapter 5.5.1 --- Example 1: Random Walk --- p.90Chapter 5.5.2 --- Example 2: Random Walk on a Grid --- p.94Chapter 5.5.3 --- Example 3: Stochastic Shortest Path Problem --- p.97Chapter 5.5.4 --- Relationships Between λ and γ --- p.99Chapter 5.6 --- Discrete-Time Inference Network --- p.100Chapter 5.6.1 --- Results --- p.101Chapter 5.7 --- Conclusion --- p.102Chapter 6. --- On Distributed g-Learning Network --- p.104Chapter 6.1 --- Introduction --- p.105Chapter 6.2 --- Distributed Q-Learniing Network --- p.108Chapter 6.2.1 --- Distributed Q-Learning Network --- p.109Chapter 6.2.2 --- Q-Learning Network Architecture --- p.111Chapter 6.3 --- Experimental Results --- p.114Chapter 6.3.1 --- Random Walk --- p.114Chapter 6.3.2 --- The Shortest Path Problem --- p.116Chapter 6.4 --- Discussion --- p.120Chapter 6.4.1 --- Related Work --- p.121Chapter 6.5 --- FPGAs Implementation --- p.122Chapter 6.5.1 --- Distributed Registering Approach --- p.123Chapter 6.5.2 --- Serial BRAM Storing Approach --- p.124Chapter 6.5.3 --- Comparison --- p.125Chapter 6.5.4 --- Discussion --- p.127Chapter 6.6 --- Conclusion --- p.128Chapter 7. --- Summary --- p.129Bibliography --- p.132AppendixChapter A. --- Simplified Floating-Point Arithmetic --- p.143Chapter B. --- "Logarithm, Exponential and Division Implementation" --- p.144Chapter B.1 --- Introduction --- p.144Chapter B.2 --- Approximation Scheme --- p.145Chapter B.2.1 --- Logarithm --- p.145Chapter B.2.2 --- Exponentiation --- p.147Chapter B.2.3 --- Division --- p.148Chapter C. --- Analog VLSI Implementation --- p.150Chapter C.1 --- Site Function --- p.150Chapter C.1.1 --- Multiplication Cell --- p.150Chapter C.2 --- The Unit Function --- p.153Chapter C.3 --- The Inference Network Computation --- p.154Chapter C.4 --- Layout --- p.157Chapter C.5 --- Fabrication --- p.159Chapter C.5.1 --- Testing and Characterization --- p.16

Phylogeny-Aware Placement and Alignment Methods for Short Reads

In recent years bioinformatics has entered a new phase: New sequencing methods, generally referred to as Next Generation Sequencing (NGS) have become widely available. This thesis introduces algorithms for phylogeny aware analysis of short sequence reads, as generated by NGS methods in the context of metagenomic studies. A considerable part of this work focuses on the technical (w.r.t. performance) challenges of these new algorithms, which have been developed specifically to exploit parallelism

Molecular phylogenetic analysis: design and implementation of scalable and reliable algorithms and verification of phylogenetic properties

El término bioinformática tiene muchas acepciones, una gran parte referentes a la bioinformática molecular: el conjunto de métodos matemáticos, estadísticos y computacionales que tienen como objetivo dar solución a problemas biológicos, haciendo uso exclusivamente de las secuencias de ADN, ARN y proteínas y su información asociada. La filogenética es el área de la bioinformática encargada del estudio de la relación evolutiva entre organismos de la misma o distintas especies. Al igual que sucedía con la definición anterior, los trabajos realizados a lo largo de esta tesis se centran en la filogenética molecular: la rama de la filogenética que analiza las mutaciones hereditarias en secuencias biológicas (principalmente ADN) para establecer dicha relación evolutiva. El resultado de este análisis se plasma en un árbol evolutivo o filogenia. Una filogenia suele representarse como un árbol con raíz, normalmente binario, en el que las hojas simbolizan los organismos existentes actualmente y, la raíz, su ancestro común. Cada nodo interno representa una mutación que ha dado lugar a una división en la clasificación de los descendientes. Las filogenias se construyen mediante procesos de inferencia en base a la información disponible, que pertenece mayoritariamente a organismos existentes hoy en día. La complejidad de este problema se ha visto reflejada en la clasificación de la mayoría de métodos propuestos para su solución como NP-duros [1-3].El caso real de aplicación de esta tesis ha sido el ADN mitocondrial. Este tipo de secuencias biológicas es relevante debido a que tiene un alto índice de mutación, por lo que incluso filogenias de organismos muy cercanos evolutivamente proporcionan datos significativos para la comunidad biológica. Además, varias mutaciones del ADN mitocondrial humano se han relacionado directamente con enfermedad y patogenias, la mayoría mortales en individuos no natos o de corta edad. En la actualidad hay más de 30000 secuencias disponibles de ADN mitocondrial humano, lo que, además de su utilidad científica, ha permitido el análisis de rendimiento de nuestras contribuciones para datos masivos (Big Data). La reciente incorporación de la bioinformática en la categoría Big Data viene respaldada por la mejora de las técnicas de digitalización de secuencias biológicas que sucedió a principios del siglo 21 [4]. Este cambio aumentó drásticamente el número de secuencias disponibles. Por ejemplo, el número de secuencias de ADN mitocondrial humano pasó de duplicarse cada cuatro años, a hacerlo en menos de dos. Por ello, un gran número de métodos y herramientas usados hasta entonces han quedado obsoletos al no ser capaces de procesar eficientemente estos nuevos volúmenes de datos.Este es motivo por el que todas las aportaciones de esta tesis han sido desarrolladas para poder tratar grandes volúmenes de datos. La contribución principal de esta tesis es un framework que permite diseñar y ejecutar automáticamente flujos de trabajo para la inferencia filogenética: PhyloFlow [5-7]. Su creación fue promovida por el hecho de que la mayoría de sistemas de inferencia filogenética existentes tienen un flujo de trabajo fijo y no se pueden modificar ni las herramientas software que los componen ni sus parámetros. Esta decisión puede afectar negativamente a la precisión del resultado si el flujo del sistema o alguno de sus componentes no está adaptado a la información biológica que se va a utilizar como entrada. Por ello, PhyloFlow incorpora un proceso de configuración que permite seleccionar tanto cada uno de los procesos que formarán parte del sistema final, como las herramientas y métodos específicos y sus parámetros. Se han incluido consejos y opciones por defecto durante el proceso de configuración para facilitar su uso, sobre todo a usuarios nóveles. Además, nuestro framework permite la ejecución desatendida de los sistemas filogenéticos generados, tanto en ordenadores de sobremesa como en plataformas hardware (clusters, computación en la nube, etc.). Finalmente, se han evaluado las capacidades de PhyloFlow tanto en la reproducción de sistemas de inferencia filogenética publicados anteriormente como en la creación de sistemas orientados a problemas intensivos como el de inferencia del ADN mitocondrial humano. Los resultados muestran que nuestro framework no solo es capaz de realizar los retos planteados, sino que, en el caso de la replicación de sistemas, la posibilidad de configurar cada elemento que los componen mejora ampliamente su aplicabilidad.Durante la implementación de PhyloFlow descubrimos varias carencias importantes en algunas bibliotecas software actuales que dificultaron la integración y gestión de las herramientas filogenéticas. Por este motivo se decidió crear la primera biblioteca software en Python para estudios de filogenética molecular: MEvoLib [8]. Esta biblioteca ha sido diseñada para proveer una sola interfaz para los conjuntos de herramientas software orientados al mismo proceso, como el multialineamiento o la inferencia de filogenias. MEvoLib incluye además configuraciones por defecto y métodos que hacen uso de conocimiento biológico específico para mejorar su precisión, adaptándose a las necesidades de cada tipo de usuario. Como última característica relevante, se ha incorporado un proceso de conversión de formatos para los ficheros de entrada y salida de cada interfaz, de forma que, si la herramienta seleccionada no soporta dicho formato, este es adaptado automáticamente. Esta propiedad facilita el uso e integración de MEvoLib en scripts y herramientas software.El estudio del caso de aplicación de PhyloFlow al ADN mitocondrial humano ha expuesto los elevados costes tanto computacionales como económicos asociados a la inferencia de grandes filogenias. Por ello, sistemas como PhyloTree [9], que infiere un tipo especial de filogenias de ADN mitocondrial humano, recalculan sus resultados con una frecuencia máxima anual. Sin embargo, como ya hemos comentado anteriormente, las técnicas de secuenciación actuales permiten la incorporación de cientos o incluso miles de secuencias biológicas nuevas cada mes. Este desfase entre productor y consumidor hace que dichas filogenias queden desactualizadas en unos pocos meses. Para solucionar este problema hemos diseñado un nuevo algoritmo que permite la actualización de una filogenia mediante la incorporación iterativa de nuevas secuencias: PHYSER [10]. Además, la propia información evolutiva se utiliza para detectar posibles mutaciones introducidas artificialmente por el proceso de secuenciación, inexistentes en la secuencia original. Las pruebas realizadas con ADN mitocondrial han probado su eficacia y eficiencia, con un coste temporal por secuencia inferior a los 20 segundos.El desarrollo de nuevas herramientas para el análisis de filogenias también ha sido una parte importante de esta tesis. En concreto, se han realizado dos aportaciones principales en este aspecto: PhyloViewer [11] y una herramienta para el análisis de la conservación [12]. PhyloViewer es un visualizador de filogenias extensivas, es decir, filogenias que poseen al menos un millar de hojas. Esta herramienta aporta una novedosa interfaz en la que se muestra el nodo seleccionado y sus nodos hijo, así como toda la información asociada a cada uno de ellos: identificador, secuencia biológica, ... Esta decisión de diseño ha sido orientada a evitar el habitual “borrón” que se produce en la mayoría de herramientas de visualización al mostrar este tipo de filogenias enteras por pantalla. Además, se ha desarrollado en una arquitectura clienteservidor, con lo que el procesamiento de la filogenia se realiza una única vez por parte el servidor. Así, se ha conseguido reducir significativamente los tiempos de carga y acceso por parte del cliente. Por otro lado, la aportación principal de nuestra herramienta para el análisis de la conservación se basa en la paralelización de los métodos clásicos aplicados en este campo, alcanzando speed-ups cercanos al teórico sin pérdida de precisión. Esto ha sido posible gracias a la implementación de dichos métodos desde cero, incorporando la paralelización a nivel de instrucción, en vez de paralelizar implementaciones existentes. Como resultado, nuestra herramienta genera un informe que contiene las conclusiones del análisis de conservación realizado. El usuario puede introducir un umbral de conservación para que el informe destaque solo aquellas posiciones que no lo cumplan. Además, existen dos tipos de informe con distinto nivel de detalle. Ambos se han diseñado para que sean comprensibles y útiles para los usuarios.Finalmente, se ha diseñado e implementado un predictor de mutaciones patógenas en ADN mitocondrial desarollado en máquinas de vectores de soporte (SVM): Mitoclass.1 [13]. Se trata del primer predictor para este tipo de secuencias biológicas. Tanto es así, que ha sido necesario crear el primer repositorio de mutaciones patógenas conocidas, mdmv.1, para poder entrenar y evaluar nuestro predictor. Se ha demostrado que Mitoclass.1 mejora la clasificación de las mutaciones frente a los predictores más conocidos y utilizados, todos ellos orientados al estudio de patogenicidad en ADN nuclear. Este éxito radica en la novedosa combinación de propiedades a evaluar por cada mutación en el proceso de clasificación. Además, otro factor a destacar es el uso de SVM frente a otras alternativas, que han sido probadas y descartadas debido a su menor capacidad de predicción para nuestro caso de aplicación.REFERENCIAS[1] L. Wang and T. Jiang, “On the complexity of multiple sequence alignment,” Journal of computational biology, vol. 1, no. 4, pp. 337–348, 1994.[2] W. H. E. Day, D. S. Johnson, and D. Sankoff, “The Computational Complexity of Inferring Rooted Phylogenies by Parsimony,” Mathematical Biosciences, vol. 81, no. 1, pp. 33–42, 1986.[3] S. Roch, “A short proof that phylogenetic tree reconstruction by maximum likelihood is hard,” IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics (TCBB), vol. 3, no. 1, p. 92, 2006.[4] E. R. Mardis, “The impact of next-generation sequencing technology on genetics,” Trends in genetics, vol. 24, no. 3, pp. 133–141, 2008.[5] J. Álvarez-Jarreta, G. de Miguel Casado, and E. Mayordomo, “PhyloFlow: A Fully Customizable and Automatic Workflow for Phylogeny Estimation,” in ECCB 2014, 2014.[6] J. Álvarez-Jarreta, G. de Miguel Casado, and E. Mayordomo, “PhyloFlow: A Fully Customizable and Automatic Workflow for Phylogenetic Reconstruction,” in IEEE International Conference on Bioinformatics and Biomedicine (BIBM), pp. 1–7, IEEE, 2014.[7] J. Álvarez, R. Blanco, and E. Mayordomo, “Workflows with Model Selection: A Multilocus Approach to Phylogenetic Analysis,” in 5th International Conference on Practical Applications of Computational Biology & Bioinformatics (PACBB 2011), vol. 93 of Advances in Intelligent and Soft Computing, pp. 39–47, Springer Berlin Heidelberg, 2011.[8] J. Álvarez-Jarreta and E. Ruiz-Pesini, “MEvoLib v1.0: the First Molecular Evolution Library for Python,” BMC Bioinformatics, vol. 17, no. 436, pp. 1–8, 2016.[9] M. van Oven and M. Kayser, “Updated comprehensive phylogenetic tree of global human mitochondrial DNA variation,” Human Mutation, vol. 30, no. 2, pp. E386–E394, 2009.[10] J. Álvarez-Jarreta, E. Mayordomo, and E. Ruiz-Pesini, “PHYSER: An Algorithm to Detect Sequencing Errors from Phylogenetic Information,” in 6th International Conference on Practical Applications of Computational Biology & Bioinformatics (PACBB 2012), pp. 105–112, 2012.[11] J. Álvarez-Jarreta and G. de Miguel Casado, “PhyloViewer: A Phylogenetic Tree Viewer for Extense Phylogenies,” in ECCB 2014, 2014.[12] F. Merino-Casallo, J. Álvarez-Jarreta, and E. Mayordomo, “Conservation in mitochondrial DNA: Parallelized estimation and alignment influence,” in 2015 IEEE International Conference on Bioinformatics and Biomedicine (BIBM 2015), pp. 1434–1440, IEEE, 2015.[13] A. Martín-Navarro, A. Gaudioso-Simón, J. Álvarez-Jarreta, J. Montoya, E. Mayordomo, and E. Ruiz-Pesini, “Machine learning classifier for identification of damaging missense mutations exclusive to human mitochondrial DNA-encoded polypeptides,” BMC Bioinformatics, vol. 18, no. 158, pp. 1–11, 2017.<br /

Survey of FPGA applications in the period 2000 – 2015 (Technical Report)

Romoth J, Porrmann M, Rückert U. Survey of FPGA applications in the period 2000 – 2015 (Technical Report).; 2017.Since their introduction, FPGAs can be seen in more and more different fields of applications. The key advantage is the combination of software-like flexibility with the performance otherwise common to hardware. Nevertheless, every application field introduces special requirements to the used computational architecture. This paper provides an overview of the different topics FPGAs have been used for in the last 15 years of research and why they have been chosen over other processing units like e.g. CPUs

Architectural explorations for streaming accelerators with customized memory layouts

El concepto básico de la arquitectura mono-nucleo en los procesadores de propósito general se ajusta bien a un modelo de programación secuencial. La integración de multiples núcleos en un solo chip ha permitido a los procesadores correr partes del programa en paralelo. Sin embargo, la explotación del enorme paralelismo disponible en muchas aplicaciones de alto rendimiento y de los datos correspondientes es difícil de conseguir usando unicamente multicores de propósito general. La aparición de aceleradores tipo streaming y de los correspondientes modelos de programación han mejorado esta situación proporcionando arquitecturas orientadas al proceso de flujos de datos. La idea básica detrás del diseño de estas arquitecturas responde a la necesidad de procesar conjuntos enormes de datos. Estos dispositivos de alto rendimiento orientados a flujos permiten el procesamiento rapido de datos mediante el uso eficiente de computación paralela y comunicación entre procesos. Los aceleradores streaming orientados a flujos, igual que en otros procesadores, consisten en diversos componentes micro-arquitectonicos como por ejemplo las estructuras de memoria, las unidades de computo, las unidades de control, los canales de Entrada/Salida y controles de Entrada/Salida, etc. Sin embargo, los requisitos del flujo de datos agregan algunas características especiales e imponen otras restricciones que afectan al rendimiento. Estos dispositivos, por lo general, ofrecen un gran número de recursos computacionales, pero obligan a reorganizar los conjuntos de datos en paralelo, maximizando la independiencia para alimentar los recursos de computación en forma de flujos. La disposición de datos en conjuntos independientes de flujos paralelos no es una tarea sencilla. Es posible que se tenga que cambiar la estructura de un algoritmo en su conjunto o, incluso, puede requerir la reescritura del algoritmo desde cero. Sin embargo, todos estos esfuerzos para la reordenación de los patrones de las aplicaciones de acceso a datos puede que no sean muy útiles para lograr un rendimiento óptimo. Esto es debido a las posibles limitaciones microarquitectonicas de la plataforma de destino para los mecanismos hardware de prefetch, el tamaño y la granularidad del almacenamiento local, y la flexibilidad para disponer de forma serial los datos en el interior del almacenamiento local. Las limitaciones de una plataforma de streaming de proposito general para el prefetching de datos, almacenamiento y demas procedimientos para organizar y mantener los datos en forma de flujos paralelos e independientes podría ser eliminado empleando técnicas a nivel micro-arquitectonico. Esto incluye el uso de memorias personalizadas especificamente para las aplicaciones en el front-end de una arquitectura streaming. El objetivo de esta tesis es presentar exploraciones arquitectónicas de los aceleradores streaming con diseños de memoria personalizados. En general, la tesis cubre tres aspectos principales de tales aceleradores. Estos aspectos se pueden clasificar como: i) Diseño de aceleradores de aplicaciones específicas con diseños de memoria personalizados, ii) diseño de aceleradores con memorias personalizadas basados en plantillas, y iii) exploraciones del espacio de diseño para dispositivos orientados a flujos con las memorias estándar y personalizadas. Esta tesis concluye con la propuesta conceptual de una Blacksmith Streaming Architecture (BSArc). El modelo de computación Blacksmith permite la adopción a nivel de hardware de un front-end de aplicación específico utilizando una GPU como back-end. Esto permite maximizar la explotación de la localidad de datos y el paralelismo a nivel de datos de una aplicación mientras que proporciona un flujo mayor de datos al back-end. Consideramos que el diseño de estos procesadores con memorias especializadas debe ser proporcionado por expertos del dominio de aplicación en la forma de plantillas.The basic concept behind the architecture of a general purpose CPU core conforms well to a serial programming model. The integration of more cores on a single chip helped CPUs in running parts of a program in parallel. However, the utilization of huge parallelism available from many high performance applications and the corresponding data is hard to achieve from these general purpose multi-cores. Streaming accelerators and the corresponding programing models improve upon this situation by providing throughput oriented architectures. The basic idea behind the design of these architectures matches the everyday increasing requirements of processing huge data sets. These high-performance throughput oriented devices help in high performance processing of data by using efficient parallel computations and streaming based communications. The throughput oriented streaming accelerators ¿ similar to the other processors ¿ consist of numerous types of micro-architectural components including the memory structures, compute units, control units, I/O channels and I/O controls etc. However, the throughput requirements add some special features and impose other restrictions for the performance purposes. These devices, normally, offer a large number of compute resources but restrict the applications to arrange parallel and maximally independent data sets to feed the compute resources in the form of streams. The arrangement of data into independent sets of parallel streams is not an easy and simple task. It may need to change the structure of an algorithm as a whole or even it can require to write a new algorithm from scratch for the target application. However, all these efforts for the re-arrangement of application data access patterns may still not be very helpful to achieve the optimal performance. This is because of the possible micro-architectural constraints of the target platform for the hardware pre-fetching mechanisms, the size and the granularity of the local storage and the flexibility in data marshaling inside the local storage. The constraints of a general purpose streaming platform on the data pre-fetching, storing and maneuvering to arrange and maintain it in the form of parallel and independent streams could be removed by employing micro-architectural level design approaches. This includes the usage of application specific customized memories in the front-end of a streaming architecture. The focus of this thesis is to present architectural explorations for the streaming accelerators using customized memory layouts. In general the thesis covers three main aspects of such streaming accelerators in this research. These aspects can be categorized as : i) Design of Application Specific Accelerators with Customized Memory Layout ii) Template Based Design Support for Customized Memory Accelerators and iii) Design Space Explorations for Throughput Oriented Devices with Standard and Customized Memories. This thesis concludes with a conceptual proposal on a Blacksmith Streaming Architecture (BSArc). The Blacksmith Computing allow the hardware-level adoption of an application specific front-end with a GPU like streaming back-end. This gives an opportunity to exploit maximum possible data locality and the data level parallelism from an application while providing a throughput natured powerful back-end. We consider that the design of these specialized memory layouts for the front-end of the device are provided by the application domain experts in the form of templates. These templates are adjustable according to a device and the problem size at the device's configuration time. The physical availability of such an architecture may still take time. However, simulation framework helps in architectural explorations to give insight into the proposal and predicts potential performance benefits for such an architecture

Bioinformatics

This book is divided into different research areas relevant in Bioinformatics such as biological networks, next generation sequencing, high performance computing, molecular modeling, structural bioinformatics, molecular modeling and intelligent data analysis. Each book section introduces the basic concepts and then explains its application to problems of great relevance, so both novice and expert readers can benefit from the information and research works presented here

Efficient algorithms and architectures for protein 3-D structure comparison

Η σύγκριση δομών πρωτεϊνών είναι ανεπτυγμένος τομέας της υπολογιστικής πρωτεϊνωμικής που χρησιμοποιείται ευρέως στη δομική βιολογία και την ανακάλυψη φαρμάκων. Οι αυξανόμενες υπολογιστικές απαιτήσεις του είναι αποτέλεσμα τριών παραγόντων: ταχεία επέκταση των βάσεων δεδομένων με νέες δομές πρωτεϊνών, υψηλή υπολογιστική πολυπλοκότητα των αλγορίθμων σύγκρισης δομών πρωτεϊνών κατά ζεύγη (PSC), και τάση χρήσης πολλαπλών μεθόδων σύγκρισης και συνδυασμού των αποτελεσμάτων τους (multi criteria protein structure comparison-MCPSC-), μιας και δεν υπάρχει PSC μέθοδος κοινά αποδεκτή ως η καλύτερη. Αναπτύξαμε πλαίσιο λογισμικού που εκμεταλλεύεται επεξεργαστές πολλών πυρήνων για την υλοποίηση παράλληλων στρατηγικών MCPSC με βάση τρεις δημοφιλείς PSC μεθόδους, τις TMalign, CE και USM. Συγκρίνουμε την απόδοση και αποδοτικότητα δύο παράλληλων υλοποιήσεων MCPSC στον πειραματικό επεξεργαστή δικτύου σε ψηφίδα (Network on Chip)  Intel Single-Chip Cloud Computer και τον δημοφιλή επεξεργαστή Intel Core i7. Επιπλέον, αναπτύξαμε εκτενές υπολογιστικό pipeline και υλοποίησή του με πρόγραμμα Python, που ονομάζεται pyMCPSC, που επιτρέπει στους χρήστες να εκτελούν MCPSC διεργασίες σε επεξεργαστές πολλαπλών πυρήνων. Το pyMCPSC, το οποίο συνδυάζει πέντε μεθόδους PSC και υποστηρίζει πέντε διαφορετικά σχήματα συναίνεσης MCPSC, υποστηρίζει τη συγκριτική ανάλυση μεγάλων συνόλων με δομές πρωτεϊνών και μπορεί να επεκταθεί ώστε να ενσωματώσει και νέες μεθόδους PSC στις βαθμολογίες συναίνεσης, καθώς αυτές καθίστανται διαθέσιμες.Protein Structure Comparison (PSC) is a well developed field of computational proteomics with active interest since it is widely used in structural biology and drug discovery. Fast increasing computational demand for all-to-all protein structures comparison is a result of mainly three factors: rapidly expanding structural proteomics databases, high computational complexity of pairwise PSC algorithms, and the trend towards using multiple criteria for comparison and combining their results (MCPSC). In this thesis we have developed a software framework that exploits many-core and multi-core CPUs to implement efficient parallel MCPSC schemes in modern processors based on three popular PSC methods, namely, TMalign, CE, and USM. We evaluate and compare the performance and efficiency of two parallel MCPSC implementations using Intel’s experimental many-core Single-Chip Cloud Computer (SCC) CPU as well as Intel’s Core i7 multi-core processor. Further, we have developed a dataset processing pipeline and implemented it in a Python utility, called pyMCPSC, allowing users to perform MCPSC efficiently on multi-core CPU. pyMCPSC, which combines five PSC methods and five different consensus scoring schemes, facilitates the analysis of similarities in protein domain datasets and can be easily extended to incorporate more PSC methods in the consensus scoring as they are becoming available