CN107451427A - 一种可重构基因比对的计算系统及加速平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物信息学领域，旨在提供一种可重构基因比对的计算系统及加速平台。其中，可重构基因比对的计算系统包括：至少一个计算模块，用于获取基因比对子任务，并对其进行处理，其中基因比对子任务是对一个基因比对任务进行切分得到的；第一互联模块，用于当所有计算模块完成基因比对子任务时，回收所有计算模块对基因比对子任务的处理结果；管理模块，与计算模块以及互联装置连接，用于监控计算模块以及第一互联模块的运行状态。本发明通过至少一个计算模块并行处理基因比对子任务，同时利用第一互联模块回收所有计算模块对基因比对子任务的处理结果，从而达到分散处理、集中管理的目的，进而能够提高基因比对的计算效率。

Description

一种可重构基因比对的计算系统及加速平台

技术领域

本发明涉及生物信息学技术领域，具体涉及一种可重构基因比对的计算系统及加速平台。

背景技术

1953年，沃森和克里克发表了著名的DNA双螺旋结构，揭开了生命科学的新篇章，开创了科学技术的新时代。另一方面，随着计算机科学的迅猛发展，一门新兴学科正在逐渐跃入人们的视野并得到了广泛的关注，即生命科学和计算机科学的交叉学科——生物信息学。生物信息学是一门强大的新技术，是用来分析、存储、搜索海量生物医学数据的信息技术和计算技术。另一方面，生物信息学是一种研究生命科学问题的新方法、新思路，是一种从全基因组出发、从系统水平出发、基于数据整合，提出新假说、发现新规律的研究方法。

序列比对是生物信息学研究的重点课题，通过对生物体DNA序列的分析，可以帮助人们获知其对应蛋白质编码的基因和基因调控序列、以及揭示不同物种间的联系等。。商用的序列比对任务通常需要借助高速处理器。作为高速处理器的一种，嵌入式处理器一直在低功耗方面有着显著的优势。近年来，随着嵌入式处理器架构的发展和制造工艺的进步，单个计算核心的性能有了显著的提升，嵌入式处理器也逐步跨入了多核处理时代，性能得到了明显的提升。随着性能的提升以及低功耗方面的优势，使得越来越多的研究机构和厂商开始考虑将嵌入式处理器应用于生物信息学领域，帮助揭示大量而复杂的生物数据所赋予的生物学奥秘。

现场可编程逻辑门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称为FPGA)是Xilinx公司在上世纪八十年代发明的半导体器件架构。FPGA通过海量的资源，可以实现大量的并行计算以及流水线计算形态，从而获得较高的计算吞吐率。同时，由于主频较低，系统功耗很低。随着半导体工艺的进步，FPGA的容量及频率一直以高于摩尔定律的速度提升；另一方面，2.5D和3D芯片技术的实现使得FPGA成为领域计算内能效比远远超过传统CPU的高性能计算的理想平台。但是，单纯由FPGA组成的计算系统在通用领域适应性方面存在着一定的问题，如在针对序列比对的计算应用中，对于任务中随机性较高的控制逻辑资源开销较大、系统频率难以提升，最终导致了FPGA的优势难以得到体现。

发明内容

本发明需要解决的技术问题在于克服现有技术中基因比对计算效率低的缺陷。

鉴于此，本发明提供了一种可重构基因比对的计算系统，包括：

至少一个计算模块，用于获取基因比对子任务，并对其进行处理，其中所述基因比对子任务是对一个基因比对任务进行切分得到的；

第一互联模块，用于当任一所述计算模块完成所述基因比对子任务时，回收所述计算模块对所述基因比对子任务的处理结果；

管理模块，与所述计算模块以及所述第一互联模块连接，用于监控所述计算模块以及所述第一互联模块的运行状态。

可选地，所述计算模块包括至少一个计算节点，所述计算节点间通过第二互联模块实现互联；

所述计算节点，用于对所述基因比对子任务进行处理；

所述第二互联模块，用于控制所有所述计算节点进行并行计算。

可选地，所述计算节点包括：高速存储器以及处理器；

所述高速存储器，用于存储所述基因比对任务的参考索引表；

所述处理器，根据所述参考索引表处理所述基因比对子任务。

可选地，所述处理器包括ARM处理器以及用于实现可重构功能的FPGA，所述ARM处理器与所述FPGA通过总线互联。

可选地，所述计算模块包括至多8个所述计算节点。

可选地，所述计算系统包括至多12个所述计算模块。

本发明还提供一种用于可重构基因比对的加速平台，包括：

至少一个上述任一项所述的计算系统；

业务交换装置，用于向各所述计算系统分发基因比对子任务以及回收所述计算系统的所述基因比对子任务的处理结果并进行汇总；

管理交换装置，用于监控各所述计算系统的运行状态并进行汇总；

服务器，分别与所述业务交换装置以及所述管理交换装置连接，用于根据所述基因比对任务的处理结果以及所述运行状态的汇总结果生成测试报告。

可选地，所述业务交换装置接收所述服务器分发的基因比对任务，并将所述基因比对任务切分为至少一个所述基因比对子任务，发送给所述第一互联模块。

可选地，所述管理交换装置接收所述管理模块发送的所述计算系统的运行状态，将所述运行状态进行汇总，发送给所述服务器。

可选地，所述管理交换装置在所述计算节点的运行状态出现异常时，向所述管理模块发送对应于所述计算节点的状态复位指令。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明实施例提供的可重构基因比对的计算系统，包括：至少一个计算模块，用于获取基因比对子任务，并对其进行处理，其中所述基因比对子任务是对一个基因比对任务进行切分得到的；第一互联模块，用于当任一所述计算模块完成所述基因比对子任务时，回收所有所述计算模块对所述基因比对子任务的处理结果；管理模块，与所述计算模块以及所述互联装置连接，用于监控所述计算模块以及所述第一互联模块的运行状态。本发明通过至少一个计算模块并行处理基因比对子任务，同时利用第一互联模块回收所有计算模块对基因比对子任务的处理结果，从而达到分散处理、集中管理的目的，以此提高基因比对的计算效率；此外，利用与计算模块以及第一互联模块连接的管理模块，实现对计算模块以及第一互联模块运行状态的监控，从而达到实时监控该计算系统运行状态的目的，以具备一定的错误恢复能力。

2.本发明实施例提供的可重构基因比对的计算系统，其中，计算模块包括至少一个计算节点，所述计算节点间通过第二互联模块实现互联；所述计算节点，用于对所述基因比对子任务进行处理；所述第二互联模块，用于控制所有所述计算节点进行并行计算。本发明通过计算模块中的计算节点完成基因比对子任务，同时通过第二互联模块，控制所有计算节点进行并行计算，从而能够使得每个计算单元中的计算节点紧密结合构成计算节点组；在同一个计算节点组内，节点间支持高速环形网络，高速环网在区域内计算任务完成以后，进行细粒度并行处理。

3.本发明实施例提供的可重构基因比对的计算系统，其中，计算节点包括：高速存储器以及处理器；所述高速存储器，用于存储所述基因比对子任务的参考索引表；所述处理器根据所述参考索引表处理所述基因比对子任务。本发明中的计算节点通过存储在高速存储器中的基因比对子任务的参考索引表进行基因比对子任务，该计算系统通过在计算节点内搭载专用于基因比对的高速存储器件，而该面向定制的高速存储器件中存储了参考索引表，能够提高该计算系统的计算效率。

4.本发明实施例提供的可重构基因比对的计算系统，其中，计算节点的处理器包括ARM处理器以及用于实现可重构功能的FPGA，ARM处理器与FPGA通过总线互联。本发明的计算节点以处理器为基础，该处理器包括ARM核心处理器和FPGA可重构逻辑资源，使得该计算系统具有高密度、低功耗的优点。

5.本发明实施例提供的可重构基因比对的加速平台，包括：至少一个上述任一项所述的计算系统；业务交换装置，用于向各所述计算系统分发基因比对子任务以及回收所述计算系统的所述基因比对子任务的处理结果并进行汇总；管理交换装置，用于监控各所述计算系统的运行状态并进行汇总；服务器，分别与所述业务交换装置以及所述管理交换装置连接，用于根据所述基因比对任务的处理结果以及所述运行状态的汇总结果生成测试报告。本发明实施例提供的基于集群架构的可重构基因比对的加速平台，通过将一个基因比对任务切分为若干基因比对子任务，并均衡的分布到各计算子系统中，从而达到提高基因比对任务计算效率的目的，使得该加速平台具有负载均衡的优势。

6.本发明实施例提供的可重构基因比对的加速平台，其中，所述业务交换装置接收所述服务器分发的基因比对任务，并将所述基因比对任务切分为至少一个所述基因比对子任务，发送给所述第一互联模块。本发明中的加速平台支持平滑扩展，即业务交换装置上可以自由扩展计算节点的数量，从而使得该加速平台的计算能力随着计算节点接入规模的增长而线性增长。

7.本发明实施例提供的可重构基因比对的加速平台，其中，管理交换装置在所述计算节点的运行状态出现异常时，向管理模块发送对应于计算节点的状态复位指令。本发明通过管理交换装置实现对各计算系统的监控，当某个计算系统中的某个计算节点出现故障时，会有其他资源继续完成任务，从而使得该加速平台具有一定的错误恢复能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中可重构基因比对的计算系统的结构框图；

图2为本发明实施例1中计算单元的结构框图；

图3为本发明实施例1中计算节点的结构框图；

图4为本发明实施例2中可重构基因比对的加速平台的网络架构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本发明实施例提供一种可重构基因比对的计算系统，用于对基因比对子任务的处理，如图1所示，该计算系统包括至少一个计算模块41a，第一互联模块42a以及管理模块43a。

本实施例中的计算模块41a，用于接收基因比对子任务，并对基因比对子任务进行处理。其中，基因比对子任务是对一个基因比对任务进行切分得到的。

作为本实施例的一种可选实施方式，如图2所示，计算模块41a包括至少一个计算节点411。其中，每个计算模块41a中的各计算节点411通过第二互联模块412实现互联。计算节点411，用于对基因比对子任务进行处理；第二互联模块412，用于控制所有计算节点411进行并行计算。本实施例中的每个计算模块41a中的计算节点411通过第二互联模块412紧密结合构成计算节点组；在同一个计算节点组内，节点间支持高速环形网络，第二互联模块412在其对应模块41a区域内的基因比对子任务完成以后，进行细粒度并行处理，进而提高该计算系统的基因比对子任务的处理效率。作为本实施例的一种可选实施方式，在临近节点之间连接有局部高速数据传输通道即千兆交换，组间支持万兆交换和高速互连带宽。本实施例中的整个计算系统采用树形结构的多层交换网络，能够支持标准以太网协议，为将本实施例中的计算系统接入大规模的加速平台做准备。

作为本实施例的一种可选实施方式，如图3所示，计算节点411包括：高速存储器以及处理器4111；其中，高速存储器，用于存储基因比对子任务的参考索引表；处理器4111根据参考索引表处理所述基因比对子任务。本实施中的计算节点411通过存储在高速存储器中的基因比对子任务的参考索引表进行基因比对子任务，该计算系统通过在计算节点411内搭载专用于基因比对的高速存储器件，而该面向定制的高速存储器件中存储了参考索引表，能够提高该计算系统的计算效率。

其中，处理器4111包括ARM处理器以及用于实现可重构功能的FPGA，ARM处理器与所述FPGA通过总线互联。本实施例中的计算系统充分利用了FPGA的可重构计算技术，决定FPGA功能的硬件配置信息可以动态调用或修改，既保留了硬件计算速度快、效率高的优点，又兼具了软件灵活性强、开发周期短和维护方便的特性。

本实施例中的计算节点以混合核心处理器为基础，该处理器包含ARM核心和FPGA可重构逻辑资源。混合核心处理器外围集成了内存、高速环网接口和千兆以太网接口(GbE接口)等模块。计算节点内还搭载专用于基因比对的高速存储器，面向定制的高速存储器存储了对应于基因比对任务的参考索引表，计算节点采用模块化设计和实现方式，通过底部接口实现大规模系统的互连与构建。

本实施例中的计算系统含有嵌入式处理器ARM与可重构逻辑单元FPGA，构成了既可针对领域优化，又具备高性能通用计算能力的高效多用途计算系统。此外，还集成了内存、固态存储器外存、千兆网络和局部高速环网，进而构成了完整的可重构基因比对的计算系统。

作为本实施例的一种可选实施方式，本实施例中的计算系统包括至多12个计算模块41a，其中，每一个计算模块41a包括至多8个计算节点，而实际跟外界大规模系统互联的计算模块41a以及计算节点个数可以根据实际情况做相应设置，从而该计算系统具有平滑扩展的特点，其计算能力随着计算模块41a以及计算节点接入规模的增长而线性增长。

本实施例中的第一互联模块42a，用于当任一计算模块41a完成基因比对子任务时，回收计算模块41a对基因比对子任务的处理结果。该第一互联模块42a提供多个计算模块41a之间的高速互联通信，负责其对应的计算模块41a区域内基因比对子任务的分发与管理、负责基因比对子任务的负载均衡、基因比对子任务状态和处理结果回收、申请新的基因比对子任务。本实施例中的第一互联模块42a能够实现基因比对子任务集中管理的目的，进而能够提高该可重构基因比对的计算系统的执行效率。

本实施例中的管理模块43a，与计算模块41a以及第一互联模块42a连接，用于监控计算模块41a以及第一互联模块42a的运行状态。其中，管理模块43a还用于计算模块41a以及第一互联模块42a的状态复位以及状态管理等。本实施例利用与计算模块41a以及第一互联模块42a连接的管理模块43a，实现对计算模块41a以及第一互联模块42a运行状态的监控，从而达到实时监控该可重构基因比对的计算系统的运行状态的目的，以具备一定的错误恢复能力。

实施例2

本发明实施例提供一种可重构基因比对的加速平台，用于对基因比对任务进行处理，如图4所示，该加速平台包括至少一个实施例1中的可重构基因比对的计算系统40，业务交换装置20，管理交换装置30以及服务器10。

本实施例中的每个计算系统40内部构造相同，均包含至少一个计算模块41，第一互联模块42以及管理模块43。未在本实施例中详细描述的可重构基因比对计算系统的具体结构细节，请参照实施例1，在此不再赘述。

本实施例中的业务交换装置20，用于向各计算系统10分发基因比对子任务以及回收各计算系统10的基因比对子任务的处理结果并进行汇总。该业务交换装置20接收服务器10分发的基因比对任务，将基因比对任务切分为至少一个基因比对子任务，并发送给各计算系统40的第一互联模块42，即该业务交换装置20与多个计算系统10相连接，同时也与服务器10相连，负责全局基因比对任务的分发与管理和负责基因比对任务的负载均衡。本实施例中的业务交换装置20实时处理全局基因比对任务的分发与管理，当其监测到某个计算系统10的基因比对子任务处理完成后，及时分发新的基因比对子任务；同时，能够实时调整各计算系统10的任务负载，以保证各计算系统10的任务负载均衡。

此外，该业务交换装置20能够汇总回收的各计算系统10的基因比对子任务的处理结果发送给服务器10，并申请新的基因比对任务，从而保证基因比对任务的及时处理，达到该可重构基因比对加速平台的资源利用最大化的目的。

本实施例中的管理交换装置30，用于监控各计算系统10的运行状态并进行汇总。该管理交换装置10接收管理模块43发送的计算系统10的运行状态，将该运行状态进行汇总，发送给服务器10。在某个计算节点的运行状态出现异常时，向管理模块43发送对应于其计算节点的状态复位指令。本实施例中的管理交换装置30，实时监测各计算系统10的运行状态，并将状态汇总并发送给服务器10，即能够实现对各计算系统10的状态管理以及状态复位。本实施例通过管理交换装置30实现对各计算系统10的监控，当某个计算系统10中的某个计算节点出现故障时，会有其他资源继续完成任务，从而使得该加速平台具有一定的错误恢复能力。

本实施例中的服务器10，分别与业务交换装置20以及管理交换装置30连接，用于根据基因比对任务的处理结果以及各计算系统10的运行状态的汇总结果生成测试报告。该服务器10提供人机交互功能，用于实现基因比对任务的输入、提交以及任务的基因比对任务切分，与其他外部设备的交互等。

本发明实施例提供的基于集群架构的可重构基因比对的加速平台，通过将一个基因比对任务切分为若干基因比对子任务，并均衡的分布到各计算子系统中，从而能够基因比对任务的计算效率，使得该加速平台具有负载均衡的优势。其中，集群(Cluster)技术是一组相互独立的、通过高速网络互联的计算机，它们构成了一个组，并以单一系统的模式加以管理，在性能、可靠性、灵活性方面收益较高的同时成本也非常低。而任务调度是集群系统中的核心技术，本实施例中通过业务交换装置20实现对全局基因比对任务的分发与管理和负责基因比对任务的负载均衡，能够提高基因比对任务的计算效率。

实施例3

本发明实施例提供一种本发明实施2中的可重构基因比对的加速平台的工作流程：

基因比对任务或基因比对序列输入至服务器10，服务器10将基因比对任务或基因比对序列切分后传输给业务交换装置20。本实施例中，基因比对任务或基因比对序列可通过数据库输入到管理服务器10。为描述方便，在本实施例的下文中，均采用基因比对任务进行。

业务交换装置20连接每一个计算系统10，负责全局任务的管理；负责计算系统10之间的万兆数据交换；将任务分发给计算系统10以后，由计算系统10进行基因比对计算。

业务交换装置20还负责保持各计算系统10的负载均衡，向不繁忙的计算系统10下发新任务，达到最优资源使用的目的；待计算系统10的基因比对子任务完成后回收任务状态和处理结果，同时申请新任务。

计算系统40负责具体的基因比对子任务的处理，其中的计算节点以混合处理器为核心，处理器包含两个ARM核心和FPGA可重构逻辑资源，还包含存储参考索引表的高速存储器，各计算节点之间互相连接，构成了高速环网，待计算模块41对应区域内的基因比对子任务执行完毕后，高速环网用于在计算模块41内部进行并行处理结果。

管理交换装置30监测计算系统10的运行状态，将运行状态汇总并报给服务器10。若计算节点状态出现异常，其向管理模块43发送状态复位指令。

待所有记忆比对任务执行完成以后，每个计算系统10的第一互联装置42回收处理结果，上传给计算系统10的业务交换装置20，由业务交换装置20将整体处理结果传输给服务器10。

服务器10负责和其他外部设备进行交互，生成测试报告给用户，任务结束。

本实施例中的工作流程，可低功耗、低成本地实现基因比对任务，适应范围广、性能稳定。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种可重构基因比对的计算系统，其特征在于，包括：

至少一个计算模块，用于接收基因比对子任务，并对其进行处理，其中所述基因比对子任务是对一个基因比对任务进行切分得到的；

第一互联模块，用于当任一所述计算模块完成所述基因比对子任务时，回收所述计算模块对所述基因比对子任务的处理结果；

管理模块，与所述计算模块以及所述第一互联模块连接，用于监控所述计算模块以及所述第一互联模块的运行状态。

2.根据权利要求1所述的计算系统，其特征在于，所述计算模块包括至少一个计算节点，所述计算节点间通过第二互联模块实现互联；

所述计算节点，用于对所述基因比对子任务进行处理；

所述第二互联模块，用于控制所有所述计算节点进行并行计算。

3.根据权利要求2所述的计算系统，其特征在于，所述计算节点包括：高速存储器以及处理器；

所述高速存储器，用于存储所述基因比对任务的参考索引表；

所述处理器，根据所述参考索引表处理所述基因比对子任务。

4.根据权利要求3所述的计算系统，其特征在于，所述处理器包括ARM处理器以及用于实现可重构功能的FPGA，所述ARM处理器与所述FPGA通过总线互联。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的计算系统，其特征在于，所述计算模块包括至多8个所述计算节点。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的计算系统，其特征在于，所述计算系统包括至多12个所述计算模块。

7.一种可重构基因比对的加速平台，其特征在于，包括：

至少一个权利要求1-6中任一项所述的计算系统；

业务交换装置，用于向各所述计算系统分发基因比对子任务以及回收所述计算系统的所述基因比对子任务的处理结果并进行汇总；

管理交换装置，用于监控各所述计算系统的运行状态并进行汇总；

服务器，分别与所述业务交换装置以及所述管理交换装置连接，用于根据所述基因比对任务的处理结果以及所述运行状态的汇总结果生成测试报告。

8.根据权利要求7所述的加速平台，其特征在于，所述业务交换装置接收所述服务器分发的基因比对任务，并将所述基因比对任务切分为至少一个所述基因比对子任务，发送给所述第一互联模块。

9.根据权利要求7或8所述的加速平台，其特征在于，所述管理交换装置接收所述管理模块发送的所述计算系统的运行状态，将所述运行状态进行汇总，发送给所述服务器。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的加速平台，其特征在于，所述管理交换装置在所述计算节点的运行状态出现异常时，向所述管理模块发送对应于所述计算节点的状态复位指令。