Genome sequence alignment in processing-In-memory architectures

Finalmente, también realizamos un estudio experimental de varias arquitecturas con diferentes tecnologías de memoria (DDR y HBM) y núcleos de procesamiento de distintos tipos, explotando, en algunos casos, procesamiento en la memoria (PIM). La aplicación de referencia es Bowtie2, una aplicación completa para el alineamiento de secuencias en el genoma. La implementación y evaluación de estas arquitecturas se realiza utilizando un simulador arquitectural basado en gem5.La combinación de la aparición de un cuello de botella en el acceso a los datos y la creciente importancia de las aplicaciones de procesamiento intensivo de datos, muy limitadas por el sistema de memoria, crea un importante problema que debe ser abordado. Por ello, en esta tesis nos proponemos afrontar este problema e intentar reducir su efecto en la medida de lo posible. El principal objetivo de esta tesis es el diseño de nuevas soluciones arquitecturales y algorítmicas para superar el problema del cuello de botella conocido como memory-wall y mejorar el rendimiento de aplicaciones con gran uso de memoria que no son capaces de beneficiarse lo suficiente de las jerarquías de memoria actuales. Además, creemos que es esencial centrarse en la eficiencia energética, un factor cuya importancia crece cada día y uno de los factores más limitantes en la computación de alto rendimiento. Las principales contribuciones de esta tesis son: Primero, analizamos el comportamiento de aplicaciones con accesos de memoria aleatorios, que no aprovechan correctamente las nuevas arquitecturas de memoria con jerarquías cache profundas. Específicamente, analizamos la estructura de datos FM-index y un algoritmo de búsqueda de secuencias basado en esa estructura, ampliamente usado en el alineamiento de secuencias en el genoma. Después de este análisis y de obtener un conocimiento más detallado del cuello de botella de la memoria, proponemos una nueva versión de FM-index que permite reducir el consumo de ancho de banda de memoria, de forma que mejora significativamente el rendimiento computacional. Posteriormente, proponemos una nueva arquitectura energéticamente eficiente, basada en un cubo de memoria en 3D (3D-Stacked) al que añadimos unos núcleos sencillos de bajo consumo en su capa lógica. Esta arquitectura permite la ejecución cerca de los datos (near-data-processing

Skaalautuvat laskentamenetelmät suuren kapasiteetin sekvensointidatan analytiikkaan populaatiogenomiikassa

High-throughput sequencing (HTS) technologies have enabled rapid DNA sequencing of whole-genomes collected from various organisms and environments, including human tissues, plants, soil, water, and air. As a result, sequencing data volumes have grown by several orders of magnitude, and the number of assembled whole-genomes is increasing rapidly as well. This whole-genome sequencing (WGS) data has revealed the genetic variation in humans and other species, and advanced various fields from human and microbial genomics to drug design and personalized medicine. The amount of sequencing data has almost doubled every six months, creating new possibilities but also big data challenges in genomics. Diverse methods used in modern computational biology require a vast amount of computational power, and advances in HTS technology are even widening the gap between the analysis input data and the analysis outcome. Currently, many of the existing genomic analysis tools, algorithms, and pipelines are not fully exploiting the power of distributed and high-performance computing, which in turn limits the analysis throughput and restrains the deployment of the applications to clinical practice in the long run. Thus, the relevance of harnessing distributed and cloud computing in bioinformatics is more significant than ever before. Besides, efficient data compression and storage methods for genomic data processing and retrieval integrated with conventional bioinformatics tools are essential. These vast datasets have to be stored and structured in formats that can be managed, processed, searched, and analyzed efficiently in distributed systems. Genomic data contain repetitive sequences, which is one key property in developing efficient compression algorithms to alleviate the data storage burden. Moreover, indexing compressed sequences appropriately for bioinformatics tools, such as read aligners, offers direct sequence search and alignment capabilities with compressed indexes. Relative Lempel-Ziv (RLZ) has been found to be an efficient compression method for repetitive genomes that complies with the data-parallel computing approach. RLZ has recently been used to build hybrid-indexes compatible with read aligners, and we focus on extending it with distributed computing. Data structures found in genomic data formats have properties suitable for parallelizing routine bioinformatics methods, e.g., sequence matching, read alignment, genome assembly, genotype imputation, and variant calling. Compressed indexing fused with the routine bioinformatics methods and data-parallel computing seems a promising approach to building population-scale genome analysis pipelines. Various data decomposition and transformation strategies are studied for optimizing data-parallel computing performance when such routine bioinformatics methods are executed in a complex pipeline. These novel distributed methods are studied in this dissertation and demonstrated in a generalized scalable bioinformatics analysis pipeline design. The dissertation starts from the main concepts of genomics and DNA sequencing technologies and builds routine bioinformatics methods on the principles of distributed and parallel computing. This dissertation advances towards designing fully distributed and scalable bioinformatics pipelines focusing on population genomic problems where the input data sets are vast and the analysis results are hard to achieve with conventional computing. Finally, the methods studied are applied in scalable population genomics applications using real WGS data and experimented with in a high performance computing cluster. The experiments include mining virus sequences from human metagenomes, imputing genotypes from large-scale human populations, sequence alignment with compressed pan-genomic indexes, and assembling reference genomes for pan-genomic variant calling.Suuren kapasiteetin sekvensointimenetelmät (High-Throughput Sequencing, HTS) ovat mahdollistaneet kokonaisten genomien nopean ja huokean sekvensoinnin eri organismeista ja ympäristöistä, mukaan lukien kudos-, maaperä-, vesistö- ja ilmastonäytteet. Tämän seurauksena sekvensointidatan ja koostettujen kokogenomien määrät ovat kasvaneet nopeasti. Kokogenomin sekvensointi on lisännyt ihmisen ja muiden lajien geneettisen perimän tietämystä ja edistänyt eri tieteenaloja ympäristötieteistä lääkesuunnitteluun ja yksilölliseen lääketieteeseen. Sekvensointidatan määrä on lähes kaksinkertaistunut puolivuosittain, mikä on luonut uusia mahdollisuuksia läpimurtoihin, mutta myös suuria datankäsittelyn haasteita. Nykyaikaisessa laskennallisessa biologiassa käytettävät monimutkaiset analyysimenetelmät vaativat yhä enemmän laskentatehoa HTS-datan kasvaessa, ja siksi HTS-menetelmien edistyminen kasvattaa kuilua raakadatasta lopullisiin analyysituloksiin. Useat tällä hetkellä käytetyistä genomianalyysityökaluista, algoritmeista ja ohjelmistoista eivät hyödynnä hajautetun laskennan tehoa kokonaisvaltaisesti, mikä puolestaan ​​hidastaa uusimpien analyysitulosten saamista ja rajoittaa tieteellisten ohjelmistojen käyttöönottoa kliinisessä lääketieteessä pitkällä aikavälillä. Näin ollen hajautetun ja pilvilaskennan hyödyntämisen merkitys bioinformatiikassa on tärkeämpää kuin koskaan ennen. Genomitiedon suoraa hakua ja käsittelyä tukevat pakkaus- ja tallennusmenetelmät mahdollistavat nopean ja tilatehokkaan genomianalytiikan. Uusia hajautettuihin järjestelmiin soveltuvia tietorakenteita tarvitaan, jotta näitä suuria datamääriä voidaan hallita, käsitellä, hakea ja analysoida tehokkaasti. Genomidata sisältää runsaasti toistuvia sekvenssejä, mikä on yksi keskeinen ominaisuus kehitettäessä tehokkaita pakkausalgoritmeja tiedontallennustaakkaa ja analysointia keventämään. Lisäksi pakattujen sekvenssien indeksointi yhdistettynä sekvenssilinjausmenetelmiin mahdollistaa sekvenssien satunnaishaun ja suoran linjauksen pakattuihin sekvensseihin. Relative Lempel-Ziv (RLZ) pakkausmenetelmä on todettu tehokkaaksi toistuville genomisekvensseille rinnakkaislaskentaa hyödyntäen. RLZ-menetelmää on viime aikoina sovellettu sekvenssilinjaukseen yhteensopiviin hybridi-indekseihin, joita tässä työssä on nopeutettu hajautetulla laskennalla. Genomiikan dataformaateista löytyvillä tietorakenteilla on ominaisuuksia, jotka soveltuvat hajautettuun sekvenssihakuun, sekvenssilinjaukseen, genomien koostamiseen, genotyyppien imputointiin ja varianttien havaitsemiseen. Pakattu indeksointi sovellettuna hajautetulla laskennalla tehostettuihin menetelmiin vaikuttaa lupaavalta lähestymistavalta populaatiogenomiikan analyysiohjelmistojen mukauttamiseksi suuriin datamääriin. Erilaisia ​​tiedon osittamis- ja muunnosstrategioita hyödynnetään suorituskyvyn tehostamiseen monivaiheisessa hajautetussa genomidatan prosessoinnissa. Näitä uusia skaalautuvia hajautettuja laskentamenetelmiä tutkitaan tässä väitöskirjassa ja demonstroidaan yleisluontoisella bioinformatiikan analyysiohjelmiston arkkitehtuurilla. Tässä työssä johdatellaan genomiikan ja DNA-sekvensointitekniikoiden peruskäsitteisiin ja esitellään rutiininomaisia ​​bioinformatiikan menetelmiä perustuen hajautetun ja rinnakkaislaskennan periaatteille. Väitöskirjassa edetään kohti täysin hajautettujen ja skaalautuvien bioinformatiikan ohjelmistojen suunnittelua keskittyen populaatiogenomiikan ongelmiin, joissa syötedatan määrät ovat suuria ja analyysitulosten saavuttaminen on hidasta tai jopa mahdotonta tavanomaisella laskennalla. Lopuksi tutkittuja menetelmiä sovelletaan tässä työssä kehitettyihin skaalautuviin populaatiogenomiikan sovelluksiin, joita koestetaan kokogenomidatalla supertietokoneen laskentaklusterissa. Kokeet sisältävät virussekvenssien louhintaa ihmisten metagenominäytteistä, genotyyppien täydentämistä (imputointia) suurista ihmispopulaatioista ja pan-genomisen indeksin pakkaamista sekvenssilinjauksen nopeuttamista varten. Lisäksi pakattua pan-genomia kokeillaan referenssigenomin koostamiseen populaatioon perustuvien varianttien havaitsemista varten

Optimization of high-throughput real-time processes in physics reconstruction

La presente tesis se ha desarrollado en colaboración entre la Universidad de Sevilla y la Organización Europea para la Investigación Nuclear, CERN. El detector LHCb es uno de los cuatro grandes detectores situados en el Gran Colisionador de Hadrones, LHC. En LHCb, se colisionan partículas a altas energías para comprender la diferencia existente entre la materia y la antimateria. Debido a la cantidad ingente de datos generada por el detector, es necesario realizar un filtrado de datos en tiempo real, fundamentado en los conocimientos actuales recogidos en el Modelo Estándar de física de partículas. El filtrado, también conocido como High Level Trigger, deberá procesar un throughput de 40 Tb/s de datos, y realizar un filtrado de aproximadamente 1 000:1, reduciendo el throughput a unos 40 Gb/s de salida, que se almacenan para posterior análisis. El proceso del High Level Trigger se subdivide a su vez en dos etapas: High Level Trigger 1 (HLT1) y High Level Trigger 2 (HLT2). El HLT1 transcurre en tiempo real, y realiza una reducción de datos de aproximadamente 30:1. El HLT1 consiste en una serie de procesos software que reconstruyen lo que ha sucedido en la colisión de partículas. En la reconstrucción del HLT1 únicamente se analizan las trayectorias de las partículas producidas fruto de la colisión, en un problema conocido como reconstrucción de trazas, para dictaminar el interés de las colisiones. Por contra, el proceso HLT2 es más fino, requiriendo más tiempo en realizarse y reconstruyendo todos los subdetectores que componen LHCb. Hacia 2020, el detector LHCb, así como todos los componentes del sistema de adquisici´on de datos, serán actualizados acorde a los últimos desarrollos técnicos. Como parte del sistema de adquisición de datos, los servidores que procesan HLT1 y HLT2 también sufrirán una actualización. Al mismo tiempo, el acelerador LHC será también actualizado, de manera que la cantidad de datos generada en cada cruce de grupo de partículas aumentare en aproxidamente 5 veces la actual. Debido a las actualizaciones tanto del acelerador como del detector, se prevé que la cantidad de datos que deberá procesar el HLT en su totalidad sea unas 40 veces mayor a la actual. La previsión de la escalabilidad del software actual a 2020 subestim´ó los recursos necesarios para hacer frente al incremento en throughput. Esto produjo que se pusiera en marcha un estudio de todos los algoritmos tanto del HLT1 como del HLT2, así como una actualización del código a nuevos estándares, para mejorar su rendimiento y ser capaz de procesar la cantidad de datos esperada. En esta tesis, se exploran varios algoritmos de la reconstrucción de LHCb. El problema de reconstrucción de trazas se analiza en profundidad y se proponen nuevos algoritmos para su resolución. Ya que los problemas analizados exhiben un paralelismo masivo, estos algoritmos se implementan en lenguajes especializados para tarjetas gráficas modernas (GPUs), dada su arquitectura inherentemente paralela. En este trabajo se dise ˜nan dos algoritmos de reconstrucción de trazas. Además, se diseñan adicionalmente cuatro algoritmos de decodificación y un algoritmo de clustering, problemas también encontrados en el HLT1. Por otra parte, se diseña un algoritmo para el filtrado de Kalman, que puede ser utilizado en ambas etapas. Los algoritmos desarrollados cumplen con los requisitos esperados por la colaboración LHCb para el año 2020. Para poder ejecutar los algoritmos eficientemente en tarjetas gráficas, se desarrolla un framework especializado para GPUs, que permite la ejecución paralela de secuencias de reconstrucción en GPUs. Combinando los algoritmos desarrollados con el framework, se completa una secuencia de ejecución que asienta las bases para un HLT1 ejecutable en GPU. Durante la investigación llevada a cabo en esta tesis, y gracias a los desarrollos arriba mencionados y a la colaboración de un pequeño equipo de personas coordinado por el autor, se completa un HLT1 ejecutable en GPUs. El rendimiento obtenido en GPUs, producto de esta tesis, permite hacer frente al reto de ejecutar una secuencia de reconstrucción en tiempo real, bajo las condiciones actualizadas de LHCb previstas para 2020. As´ı mismo, se completa por primera vez para cualquier experimento del LHC un High Level Trigger que se ejecuta únicamente en GPUs. Finalmente, se detallan varias posibles configuraciones para incluir tarjetas gr´aficas en el sistema de adquisición de datos de LHCb.The current thesis has been developed in collaboration between Universidad de Sevilla and the European Organization for Nuclear Research, CERN. The LHCb detector is one of four big detectors placed alongside the Large Hadron Collider, LHC. In LHCb, particles are collided at high energies in order to understand the difference between matter and antimatter. Due to the massive quantity of data generated by the detector, it is necessary to filter data in real-time. The filtering, also known as High Level Trigger, processes a throughput of 40 Tb/s of data and performs a selection of approximately 1 000:1. The throughput is thus reduced to roughly 40 Gb/s of data output, which is then stored for posterior analysis. The High Level Trigger process is subdivided into two stages: High Level Trigger 1 (HLT1) and High Level Trigger 2 (HLT2). HLT1 occurs in real-time, and yields a reduction of data of approximately 30:1. HLT1 consists in a series of software processes that reconstruct particle collisions. The HLT1 reconstruction only analyzes the trajectories of particles produced at the collision, solving a problem known as track reconstruction, that determines whether the collision data is kept or discarded. In contrast, HLT2 is a finer process, which requires more time to execute and reconstructs all subdetectors composing LHCb. Towards 2020, the LHCb detector and all the components composing the data acquisition system will be upgraded. As part of the data acquisition system, the servers that process HLT1 and HLT2 will also be upgraded. In addition, the LHC accelerator will also be updated, increasing the data generated in every bunch crossing by roughly 5 times. Due to the accelerator and detector upgrades, the amount of data that the HLT will require to process is expected to increase by 40 times. The foreseen scalability of the software through 2020 underestimated the required resources to face the increase in data throughput. As a consequence, studies of all algorithms composing HLT1 and HLT2 and code modernizations were carried out, in order to obtain a better performance and increase the processing capability of the foreseen hardware resources in the upgrade. In this thesis, several algorithms of the LHCb recontruction are explored. The track reconstruction problem is analyzed in depth, and new algorithms are proposed. Since the analyzed problems are massively parallel, these algorithms are implemented in specialized languages for modern graphics cards (GPUs), due to their inherently parallel architecture. From this work stem two algorithm designs. Furthermore, four additional decoding algorithms and a clustering algorithms have been designed and implemented, which are also part of HLT1. Apart from that, an parallel Kalman filter algorithm has been designed and implemented, which can be used in both HLT stages. The developed algorithms satisfy the requirements of the LHCb collaboration for the LHCb upgrade. In order to execute the algorithms efficiently on GPUs, a software framework specialized for GPUs is developed, which allows executing GPU reconstruction sequences in parallel. Combining the developed algorithms with the framework, an execution sequence is completed as the foundations of a GPU HLT1. During the research carried out in this thesis, the aforementioned developments and a small group of collaborators coordinated by the author lead to the completion of a full GPU HLT1 sequence. The performance obtained on GPUs allows executing a reconstruction sequence in real-time, under LHCb upgrade conditions. The developed GPU HLT1 constitutes the first GPU high level trigger ever developed for an LHC experiment. Finally, various possible realizations of the GPU HLT1 to integrate in a production GPU-equipped data acquisition system are detailed

INForum 2017: Atas do Nono Simpósio de Informática

Este volume contém as atas da 9.a edição do Simpósio em Informática, INForum 2017, a qual decorreu no Pavilhão de Exposições de Aveiro, em Aveiro, conjuntamente com o TechDays 2017, nos dias 12 e 13 de outubro de 2017. (...