混合異構架構上的生物大數(shù)據(jù)并行計算研究
發(fā)布時間：2020-12-16 18:47
本文主要的研究內(nèi)容是生物大數(shù)據(jù)在多種高性能異構計算架構下的并行計算方法,主要解決了三方面的挑戰(zhàn):（ⅰ）在有限的內(nèi)存空間中對大規(guī)模數(shù)據(jù)集執(zhí)行計算的方法,（ⅱ）基于異構計算的多層級的算法并行化設計方法和（ⅲ）對不同架構計算設備的硬件抽象建模方法。在這三方面的研究中,抽象硬件模型是最重要的貢獻,提供了一個良好的抽象硬件底層,將框架設計和具體硬件分離,簡化了軟件框架,可以使軟件框架快速擴展覆蓋多種硬件架構,并能夠以簡便抽象的方式控制內(nèi)存布局。同時提供了一個簡化的硬件視角,抽象出影響性能的關鍵因素,進而在此基礎上設計效率更高的并行方法。由于高通量測序技術的快速進展,在過去的十年中,生物序列數(shù)據(jù)的數(shù)量出現(xiàn)了爆炸性增長。生物學家存在分析和理解這些數(shù)據(jù)的強烈需求,因為基因序列決定了蛋白質(zhì)的生物結構以及功能。但是,生物數(shù)據(jù)的可用性并不隨著數(shù)據(jù)庫的膨脹而增加。事實上,目前生物數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)量如此之大以至于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法已不足以快速執(zhí)行涉及多種數(shù)據(jù)類型的生命科學查詢。另一方面,近年來的計算力增長主要體現(xiàn)在新興體系結構上,如GPU,Xeon Phi和基于Alpha指令集的國產(chǎn)申威眾核處理器上。新興體系結構呈...
【文章來源】：山東大學山東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：134 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
圖３．１比對沿著一組序列推進的示愆閣
??圖３．１比對沿著一組序列推進的示愆閣。坫兩個序列之問的斷點空１４殘祜填充，川紅??色農(nóng)示。??據(jù)庫序列組的方式。在圖３．１中，我們首先對數(shù)據(jù)庫序列填充，使其填充后的長度??為４的倍數(shù)，這樣可以減少底層代碼中的執(zhí)行路徑分支，從而提升計算效率。將??填充后的序列１６條為一組，寫人到二維的１６通道的內(nèi)存緩沖區(qū)中，以適應Ｘｅｏｎ??Ｐｈｉ上５１２位ＶＰＵ的１６個通道。在將二維緩沖區(qū)序列化寫入內(nèi)存的過程中，來??自不同序列的字符被寫人相鄰的內(nèi)存地址，使得計算設備在并行讀取多條序列的??過程中能夠提高高速緩存命中率。另外，考慮到主機端的ＣＰＵ所使用的ＳＳＥ指??令集同樣能夠?qū)⒚恳粋�向量劃分成１６個通道執(zhí)行計算，該二維緩存對于ＣＰＵ和??Ｘｅｏｎ?Ｐｈｉ而言是通用的。值得注意的是
這里私叫是查詢序列，它的長度為ｇ／ｅ？。ｄＺｗ叫是數(shù)據(jù)庫主序列，辦／ｅｎ是它的長??度。其中的■Ｂ／ｏｃｆｅ＆ａｄ方法即為塊搜索方法，見算法３．２。Ｓｈｕｆｆｌｅ方法被用來高??效地構建分數(shù)譜，以便于計算函數(shù)高效訪問得分矩陣［９４］，它的工作過程如圖３．３。??圖３．４展示了組搜索方法的整體計算過程，我們在本章中稱之為單遍方法。??由于Ｘｅｏｎ?Ｐｈｉ上的寄存器／緩存資源有限，我們將分配給Ｘｅｏｎ?Ｐｈｉ的序列組??進一步劃分為一組連續(xù)的區(qū)塊（見圖３．１）。在比對計算過程中，沿著該區(qū)塊的同??一行的］６個殘基將以細粒度并行方式與查詢序列進行比對計算。這個過程一直??持續(xù)到序列組內(nèi)的所有區(qū)塊均掃描完畢。圖３．１示意了沿著二維１６通道序列組的??推進計算的方式。我們還發(fā)現(xiàn)，在移動到下一個查詢殘基之前，計算數(shù)據(jù)庫序列??緩沖區(qū)中的四個連續(xù)殘基可以提高捜索效率。所以我們已經(jīng)使每個區(qū)塊由６４個??（１６ｘ４）殘基組成。特別的，當二維緩存中的某一條序列結束時，當前通道中會??出現(xiàn)一個斷點。在這種情況下，首先序列記錄當前序列中的分數(shù)，然后重置該通??道對應的迅
【參考文獻】：
期刊論文
[1]The Sunway Taihu Light supercomputer:system and applications[J]. Haohuan FU,Junfeng LIAO,Jinzhe YANG,Lanning WANG,Zhenya SONG,Xiaomeng HUANG,Chao YANG,Wei XUE,Fangfang LIU,Fangli QIAO,Wei ZHAO,Xunqiang YIN,Chaofeng HOU,Chenglong ZHANG,Wei GE,Jian ZHANG,Yangang WANG,Chunbo ZHOU,Guangwen YANG. Science China(Information Sciences). 2016(07)
本文編號：2920613
【文章來源】：山東大學山東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：134 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
圖３．１比對沿著一組序列推進的示愆閣
??圖３．１比對沿著一組序列推進的示愆閣。坫兩個序列之問的斷點空１４殘祜填充，川紅??色農(nóng)示。??據(jù)庫序列組的方式。在圖３．１中，我們首先對數(shù)據(jù)庫序列填充，使其填充后的長度??為４的倍數(shù)，這樣可以減少底層代碼中的執(zhí)行路徑分支，從而提升計算效率。將??填充后的序列１６條為一組，寫人到二維的１６通道的內(nèi)存緩沖區(qū)中，以適應Ｘｅｏｎ??Ｐｈｉ上５１２位ＶＰＵ的１６個通道。在將二維緩沖區(qū)序列化寫入內(nèi)存的過程中，來??自不同序列的字符被寫人相鄰的內(nèi)存地址，使得計算設備在并行讀取多條序列的??過程中能夠提高高速緩存命中率。另外，考慮到主機端的ＣＰＵ所使用的ＳＳＥ指??令集同樣能夠?qū)⒚恳粋�向量劃分成１６個通道執(zhí)行計算，該二維緩存對于ＣＰＵ和??Ｘｅｏｎ?Ｐｈｉ而言是通用的。值得注意的是
這里私叫是查詢序列，它的長度為ｇ／ｅ？。ｄＺｗ叫是數(shù)據(jù)庫主序列，辦／ｅｎ是它的長??度。其中的■Ｂ／ｏｃｆｅ＆ａｄ方法即為塊搜索方法，見算法３．２。Ｓｈｕｆｆｌｅ方法被用來高??效地構建分數(shù)譜，以便于計算函數(shù)高效訪問得分矩陣［９４］，它的工作過程如圖３．３。??圖３．４展示了組搜索方法的整體計算過程，我們在本章中稱之為單遍方法。??由于Ｘｅｏｎ?Ｐｈｉ上的寄存器／緩存資源有限，我們將分配給Ｘｅｏｎ?Ｐｈｉ的序列組??進一步劃分為一組連續(xù)的區(qū)塊（見圖３．１）。在比對計算過程中，沿著該區(qū)塊的同??一行的］６個殘基將以細粒度并行方式與查詢序列進行比對計算。這個過程一直??持續(xù)到序列組內(nèi)的所有區(qū)塊均掃描完畢。圖３．１示意了沿著二維１６通道序列組的??推進計算的方式。我們還發(fā)現(xiàn)，在移動到下一個查詢殘基之前，計算數(shù)據(jù)庫序列??緩沖區(qū)中的四個連續(xù)殘基可以提高捜索效率。所以我們已經(jīng)使每個區(qū)塊由６４個??（１６ｘ４）殘基組成。特別的，當二維緩存中的某一條序列結束時，當前通道中會??出現(xiàn)一個斷點。在這種情況下，首先序列記錄當前序列中的分數(shù)，然后重置該通??道對應的迅
【參考文獻】：
期刊論文
[1]The Sunway Taihu Light supercomputer:system and applications[J]. Haohuan FU,Junfeng LIAO,Jinzhe YANG,Lanning WANG,Zhenya SONG,Xiaomeng HUANG,Chao YANG,Wei XUE,Fangfang LIU,Fangli QIAO,Wei ZHAO,Xunqiang YIN,Chaofeng HOU,Chenglong ZHANG,Wei GE,Jian ZHANG,Yangang WANG,Chunbo ZHOU,Guangwen YANG. Science China(Information Sciences). 2016(07)
本文編號：2920613
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