[发明专利]一种面向基因比对算法的加速装置

说明书

本发明提供了一种面向基因比对算法的加速装置。该加速装置包括主机端和多个加速模块，所述加速模块包括多个存储层、垂直切片管理单元和交换网络，其中：所述主机端用于控制向所述加速模块分发基因测序序列和接收基因比对结果；所述加速模块的存储层用于存储基因参考序列；所述加速模块的垂直切片管理单元用于管理将所述多个存储层进行垂直划分所形成的切片以及执行基因比对算法，获得基因比对结果；所述加速模块的交换网络用于控制该加速模块内部的数据交换以及该加速模块与外部的数据交换。本发明的加速装置利用定制结构能够提高基因比对算法的处理速度。

技术领域

本发明涉及生物基因数据处理技术领域，尤其涉及一种面向基因比对算法的加速装置。

背景技术

目前，生物技术的发展正在引发农业、医药、能源、材料等领域的产业革命，有效缓解了食品、健康、资源等问题，具有广阔的发展空间。作为生物领域学科的生物信息学的重要性也日益凸显，它是当今生命科学和自然科学的重大前沿领域之一，其研究重点是基因组学和蛋白质组学，具体而言是从核酸和蛋白质序列出发，分析序列中表达的结构功能的生物信息。在序列(read)分析中，基因比对是最基本和最常用的方法，通过基因比对能够发现基因序列间的相似性和差异性，从而揭示生物的进化、遗传和变异等问题。目前基因比对技术迅猛发展，基因测序的成本大幅度的降低，使得基因分析的大量应用成为可能，该技术已在农作物育种、精准医疗和无创产检等领域获得广泛应用。高通量测序技术的普及使得基因测序生物数据量呈爆炸性的增长，因而快速地、低能耗地处理这些数据面临巨大的挑战。

在现有技术中，基因比对算法通常采用通用处理结构(例如普通服务器等)，这种基因比对算法主要存在两方面问题：1)、CPU和存储器通常是分离的，通过电路板上的内存接口来访问数据，受到电气特性的限制，访存带宽有限；此外，由于基因比对操作程序的局部性很差，对内存带宽有很大的需求，这种对高带宽的需求与当前带宽不能满足其需求，造成基因比对算法运行性能差、功耗高。2)、通用处理器中通常会配置浮点运算器、定点运算器和分支预测逻辑等若干的功能部件，而基因比对算法具有计算密度低、并行度高的特征，这些部件不仅占用了处理器硅片的面积，而且消耗了大量的电能。

因此，需要对现有技术进行改进，以提供处理效率高、运行功耗低的面向基因比对算法的加速装置。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种面向基因比对算法的加速装置。

根据本发明的第一方面，提供了一种面向基因比对算法的加速装置。该加速装置包括主机端和多个加速模块，所述加速模块包括多个存储层、垂直切片管理单元和交换网络，其中：

所述主机端用于控制向所述加速模块分发基因测序序列和接收基因比对结果；

所述加速模块的存储层用于存储基因参考序列；

所述加速模块的垂直切片管理单元用于管理将所述多个存储层进行垂直划分所形成的切片以及执行基因比对算法，获得基因比对结果；

所述加速模块的交换网络用于控制该加速模块内部的数据交换以及该加速模块与外部的数据交换。

在一个实施例中，所述垂直切片管理单元包括垂直切片控制器、存储单元和基因比对算法执行单元，其中：

所述存储单元用于存储数据和程序代码；

所述垂直切片控制器用于控制该垂直切片管理单元的内部的逻辑控制以及与外部的信息交互；

所述基因比对算法执行单元用于执行基因比对算法，获得基因比对结果。

在一个实施例中，所述存储单元包括程序代码缓存单元、测序序列缓存单元、基因比对结果缓存单元，其中：

所述程序代码缓存单元用于存储执行基因比对算法的程序代码；

所述测序序列缓存单元用于存储待进行比对的基因测序序列；