JP2023520832A - ハードウェア加速Ｋ－ｍｅｒグラフ生成 - Google Patents

Abstract

プログラマブルロジックデバイスを使用するＫ－ｍｅｒグラフのハードウェア加速生成のための方法、システム、及び装置。一態様では、方法は、第１の核酸配列セットを取得する動作と、取得された第１の核酸配列セットを使用し、プログラマブルロジックデバイスの複数の非パイプラインハードウェアロジックユニットを使用してＫ－ｍｅｒグラフを生成する動作と、制御マシンを用いて、各ハードウェアロジックユニットによる１つ以上の演算の実行後にＫ－ｍｅｒグラフのグラフ記述データを定期的に更新する動作とを含む。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０２０年４月７日に出願された米国仮特許出願第６３／００６，６６８号の利益を主張し、その全内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

Ｋ－ｍｅｒグラフは、複数の配列決定リードを表すために使用され得る。

本開示の１つの革新的な態様によれば、プログラマブルロジックデバイスを使用するＫ－ｍｅｒグラフのハードウェア加速生成のための方法が開示される。一態様では、本方法は、第１の核酸配列セットを取得する動作であって、第１の核酸配列セットが、（ｉ）参照配列の活性領域に対応する複数のリード及び（ｉｉ）参照配列の一部を含む、第１の核酸配列セットを取得する動作と、プログラマブルロジックデバイスの複数の非パイプラインハードウェアロジックユニットを使用し、取得された第１の核酸配列セットを使用してＫ－ｍｅｒグラフを生成する動作であって、各ハードウェアロジックユニットが１つ以上の演算を実行するように構成された異なるハードウェアロジック回路を備え、Ｋ－ｍｅｒグラフの各ノードがＫ－ｍｅｒを表し、Ｋ－ｍｅｒグラフの各エッジがＫ－ｍｅｒのペアの間のリンクを表し、Ｋ－ｍｅｒグラフの各エッジの各重みがＫ－ｍｅｒのペアによって表されるＫ－ｍｅｒ配列の出現回数を表す、Ｋ－ｍｅｒグラフを生成する動作と、Ｋ－ｍｅｒグラフの生成中に、制御マシンを用いて、Ｋ－ｍｅｒグラフの少なくとも一部を生成するために使用される各ハードウェアロジックユニットによる１つ以上の演算の実行後にＫ－ｍｅｒグラフのグラフ記述データを定期的に更新する動作であって、グラフ記述データが（ｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ識別子及び（ｉｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ状態情報を表し、制御マシンが、Ｋ－ｍｅｒグラフの生成中に各それぞれのハードウェアロジックユニットの１つ以上の演算の実行をトリガすることによって、非パイプラインハードウェアロジックユニットを使用して演算のワークフローを作成する、グラフ記述データを定期的に更新する動作と、を含み得る。

他のバージョンは、ハードウェア加速グラフ生成ユニットのハードウェアロジック回路によって定義された前述の方法の動作を実行するように構成された対応するシステム及び装置を含む。

これらの及び他のバージョンは、任意選択で、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。例えば、いくつかの実装形態では、複数のハードウェアロジックユニットの各ハードウェアロジックユニットの出力は、ハッシュテーブルキャッシュを介して記憶される。

いくつかの実装形態では、制御マシンは、プログラマブルロジックデバイスのハードウェアロジックユニットを使用して実装される。

いくつかの実装形態では、制御マシンは、１つ以上のＣＰＵ又はＧＰＵを使用することによって実装されて制御マシンの機能を実現するためにソフトウェア命令を実行する。

いくつかの実装形態では、演算は、生成されたＫ－ｍｅｒグラフをバリアントコールユニットに提供することを更に含み得、バリアントコールユニットは、Ｋ－ｍｅｒグラフを処理して複数のリードのうちの１つ以上と参照配列との間の候補バリアントを決定する。

いくつかの実装形態では、ソフトウェア命令は、１つ以上のＣＰＵ又はＧＰＵによって実行されて、バリアントコールユニットの１つ以上の機能を実現することができる。

いくつかの実装形態では、プログラマブルロジックデバイスは、バリアントコールユニットの１つ以上の機能を加速するために使用される。

いくつかの実装形態では、グラフ記述データは、（ｉｉｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフに対してハードウェアロジックを実行した複数のハードウェアロジックユニットのうちの最後のハードウェアロジックユニット、又はＫ－ｍｅｒグラフ識別子に関連するパイルアップの核酸配列を表すデータを更に含む。

本開示の別の革新的な態様によれば、プログラマブルロジックデバイスを使用するＫ－ｍｅｒグラフのハードウェア加速生成のためのシステムが開示される。一態様では、本システムは、演算を実行するように構成されたハードウェアデジタルロジック回路を含むハードウェア加速グラフ生成ユニットを含み得る。いくつかの実装形態では、演算は、第１の核酸配列セットを取得することであって、第１の核酸配列セットが、（ｉ）参照配列の活性領域に対応する複数のリード及び（ｉｉ）参照配列の一部を含む、第１の核酸配列セットを取得することと、プログラマブルロジックデバイスの複数の非パイプラインハードウェアロジックユニットを使用し、取得された第１の核酸配列セットを使用してＫ－ｍｅｒグラフを生成することであって、各ハードウェアロジックユニットが１つ以上の演算を実行するように構成された異なるハードウェアロジック回路を備え、Ｋ－ｍｅｒグラフの各ノードがＫ－ｍｅｒを表し、Ｋ－ｍｅｒグラフの各エッジがＫ－ｍｅｒのペアの間のリンクを表し、Ｋ－ｍｅｒグラフの各エッジの各重みがＫ－ｍｅｒのペアによって表されるＫ－ｍｅｒ配列の出現回数を表す、Ｋ－ｍｅｒグラフを生成することと、Ｋ－ｍｅｒグラフの生成中に、制御マシンを用いて、Ｋ－ｍｅｒグラフの少なくとも一部を生成するために使用される各ハードウェアロジックユニットによる１つ以上の演算の実行後にＫ－ｍｅｒグラフのグラフ記述データを定期的に更新することであって、グラフ記述データが（ｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ識別子及び（ｉｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ状態情報を表し、制御マシンが、Ｋ－ｍｅｒグラフの生成中に各それぞれのハードウェアロジックユニットの１つ以上の演算の実行をトリガすることによって、非パイプラインハードウェアロジックユニットを使用して演算のワークフローを作成する、グラフ記述データを定期的に更新することと、を含み得る。

他のバージョンは、前述の演算を実行するための対応する方法及び装置を含む。

これらの及び他のバージョンは、任意選択で、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。例えば、いくつかの実装形態では、複数のハードウェアロジックユニットの各ハードウェアロジックユニットの出力は、ハッシュテーブルキャッシュを介して記憶される。

いくつかの実装形態では、演算は、生成されたＫ－ｍｅｒグラフをバリアントコールユニットに提供することを更に含み得、バリアントコールユニットは、Ｋ－ｍｅｒグラフを処理して複数のリードのうちの１つ以上と参照配列との間の候補バリアントを決定するように構成されている。

いくつかの実装形態では、本システムは、１つ以上のコンピュータと、１つ以上のコンピュータによって実行されると、１つ以上のコンピュータにバリアントコールユニットの第２の演算を実行させる命令を記憶する１つ以上のメモリデバイスとを更に含み得る。いくつかの実装形態では、バリアントコールユニットの第２の演算は、バリアントコールユニットによって、生成されたＫ－ｍｅｒグラフを取得することと、生成されたＫ－ｍｅｒグラフを処理するバリアントコールユニットに基づいて、１つ以上の候補バリアントを識別することとを含み得、ここで、候補バリアントは、リードのパイルアップにおける１つ以上のリードの塩基呼び出しと、参照ゲノムの特定の位置における参照ゲノムのヌクレオチドとの間の差分である。

いくつかの実装形態では、演算は、バリアントコールユニットによって、生成されたＫ－ｍｅｒグラフを取得することと、生成されたＫ－ｍｅｒグラフを処理するバリアントコールユニットに基づいて、１つ以上の候補バリアントを識別することとを更に含み得、ここで、候補バリアントは、リードのパイルアップにおける１つ以上のリードの塩基呼び出しと、参照ゲノムの特定の位置における参照ゲノムのヌクレオチドとの間の差分である。

いくつかの実装形態では、グラフ記述データは、（ｉｉｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフに対してハードウェアロジックを実行した複数のハードウェアロジックユニットのうちの最後のハードウェアロジックユニット、又はＫ－ｍｅｒグラフ識別子に関連するパイルアップの核酸配列を表すデータを更に含み得る。

本開示の別の革新的な態様によれば、ハードウェア加速グラフ生成ユニットが開示される。一態様では、ハードウェア加速グラフ生成ユニットは、演算を実行するように構成されたハードウェアデジタルロジック回路を含み得る。いくつかの実装形態では、演算は、第１の核酸配列セットを取得することであって、第１の核酸配列セットが、（ｉ）参照配列の活性領域に対応する複数のリード及び（ｉｉ）参照配列の一部を含む、第１の核酸配列セットを取得することと、プログラマブルロジックデバイスの複数の非パイプラインハードウェアロジックユニットを使用し、取得された第１の核酸配列セットを使用してＫ－ｍｅｒグラフを生成することであって、各ハードウェアロジックユニットが１つ以上の演算を実行するように構成された異なるハードウェアロジック回路を備え、Ｋ－ｍｅｒグラフの各ノードがＫ－ｍｅｒを表し、Ｋ－ｍｅｒグラフの各エッジがＫ－ｍｅｒのペアの間のリンクを表し、Ｋ－ｍｅｒグラフの各エッジの各重みがＫ－ｍｅｒのペアによって表されるＫ－ｍｅｒ配列の出現回数を表す、Ｋ－ｍｅｒグラフを生成することと、Ｋ－ｍｅｒグラフの生成中に、制御マシンを用いて、Ｋ－ｍｅｒグラフの少なくとも一部を生成するために使用される各ハードウェアロジックユニットによる１つ以上の演算の実行後にＫ－ｍｅｒグラフのグラフ記述データを定期的に更新することであって、グラフ記述データが（ｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ識別子及び（ｉｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ状態情報を表し、制御マシンが、Ｋ－ｍｅｒグラフの生成中に各それぞれのハードウェアロジックユニットの１つ以上の演算の実行をトリガすることによって、非パイプラインハードウェアロジックユニットを使用して演算のワークフローを作成する、グラフ記述データを定期的に更新することと、を含み得る。

他の実装形態は、ハードウェア加速グラフ生成ユニットのハードウェア回路の演算を実行するように構成された方法及びシステムを含み得る。

これらの及び他のバージョンは、任意選択で、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。例えば、いくつかの実装形態では、複数のハードウェアロジックユニットの各ハードウェアロジックユニットの出力は、ハッシュテーブルキャッシュを介して記憶される。

いくつかの実装形態では、演算は、生成されたＫ－ｍｅｒグラフをバリアントコールユニットに提供することを更に含み得、バリアントコールユニットは、Ｋ－ｍｅｒグラフを処理して複数のリードのうちの１つ以上と参照配列との間の候補バリアントを決定するように構成される。

いくつかの実装形態では、演算は、バリアントコールユニットによって、生成されたＫ－ｍｅｒグラフを取得することと、生成されたＫ－ｍｅｒグラフを処理するバリアントコールユニットに基づいて、１つ以上の候補バリアントを識別することとを更に含み得、ここで、候補バリアントは、リードのパイルアップにおける１つ以上のリードの塩基呼び出しと、参照ゲノムの特定の位置における参照ゲノムのヌクレオチドとの間の差分である。

いくつかの実装形態では、グラフ記述データは、（ｉｉｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフに対してハードウェアロジックを実行した複数のハードウェアロジックユニットのうちの最後のハードウェアロジックユニット、又はＫ－ｍｅｒグラフ識別子に関連するパイルアップの核酸配列を表すデータを更に含み得る。

本開示の別の革新的な態様によれば、プログラマブルロジックデバイスにおけるＫ－ｍｅｒグラフのハードウェア加速生成のための方法が開示される。一態様では、本方法は、第１の核酸配列セットを取得する動作であって、第１の核酸配列セットが、（ｉ）参照配列の活性領域に対応する複数のリード及び（ｉｉ）参照配列の一部を含む、第１の核酸配列セットを取得する動作と、第１の核酸配列セットの各特定の核酸配列について、ハッシュテーブルキャッシュに記憶するために、かつ第１のハードウェアロジックユニットによって、特定の核酸配列の各Ｋ－ｍｅｒについてのグラフノードを表すデータを生成する動作と、制御マシンによって、第１のハードウェアロジックユニットが特定の核酸配列の各Ｋ－ｍｅｒについてのグラフノードの生成を完了したことを検出する動作と、制御マシンによって、生成されたグラフノードについてグラフエッジ生成を実行するように第２のハードウェアロジックユニットを構成する動作と、生成されたグラフノードの１つ以上のペアについて、第２のハードウェアロジックユニットによって、かつグラフハッシュテーブルに記憶するために、第１のハードウェアロジックユニットによって生成された、生成されたグラフノードの１つ以上のペアの相互間のグラフエッジを表すデータを生成する動作であって、ハッシュテーブルキャッシュに記憶された各Ｋ－ｍｅｒについてのグラフノードを表すデータ及びハッシュテーブルキャッシュに記憶されたグラフエッジを表すデータが、第１の核酸配列セットのＫ－ｍｅｒグラフを表す、グラフエッジを表すデータを生成する動作と、を含み得る。

他のバージョンは、ハードウェア加速グラフ生成ユニットのハードウェアロジック回路によって定義された前述の方法の動作を実行するように構成された対応するシステム及び装置を含む。

これらの及び他のバージョンは、任意選択で、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。例えば、いくつかの実装形態では、方法は、制御マシンによって、かつ制御マシンがアクセス可能なメモリユニットに、Ｋ－ｍｅｒグラフのインスタンスのグラフ記述データを定期的に記憶することであって、グラフ記述データが（ｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ識別子及び（ｉｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ状態情報を表す、グラフ記述データを定期的に記憶することを更に含み得る。

いくつかの実装形態では、第１のハードウェアロジックユニットは、特定の核酸配列の特定のＫ－ｍｅｒのうちの１つ以上が特定の核酸配列の別のＫ－ｍｅｒと一致するかどうかを判定し、特定の核酸配列の１つ以上の特定のＫ－ｍｅｒが特定の核酸配列の別のＫ－ｍｅｒと一致するという判定に基づいて、その１つ以上の特定のＫ－ｍｅｒを非一意的なＫ－ｍｅｒとしてマークするデータを記憶するように更に構成することができる。

いくつかの実装形態では、第２のハードウェアロジックは、Ｋ－ｍｅｒグラフの各エッジにエッジ重みを割り当てるように更に構成されている。

いくつかの実装形態では、本方法は、プログラマブルロジックデバイスの第３のハードウェアロジックユニットに、ハッシュテーブルキャッシュからＫ－ｍｅｒグラフを表すデータを取得し、Ｋ－ｍｅｒグラフを表す取得されたデータをバリアントコールユニットに提供するように構成されたハードウェアロジックを実行するように命令することを更に含み得る。

いくつかの実装形態では、本方法は、プログラマブルロジックデバイスの第３のハードウェアロジックユニットに、ハッシュテーブルキャッシュからＫ－ｍｅｒグラフのグラフノードを表すデータ及びグラフエッジを表すデータを選択的に削除するように構成されたハードウェアロジックを実行するように命令することを更に含み得る。

いくつかの実装形態では、制御マシンは、プログラマブルロジックデバイスの第３のハードウェアロジックユニットを使用して実装される。

いくつかの実装形態では、ハッシュテーブルキャッシュは、プログラマブルロジックデバイスの第３のハードウェアロジックユニットを使用して実装される。

いくつかの実装形態では、制御マシンは、制御マシンの機能を実現するためにソフトウェア命令を実行する１つ以上のＣＰＵ又はＧＰＵを使用することによって実装される。

いくつかの実装形態では、グラフ記述データは、（ｉｉｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフに対してハードウェアロジックを実行した複数のハードウェアロジックユニットのうちの最後のハードウェアロジックユニット、又はＫ－ｍｅｒグラフ識別子に関連するパイルアップの核酸配列を表すデータを更に含む。

いくつかの実装形態では、本方法は、グラフサイクルの存在をチェックするためにＫ－ｍｅｒグラフを評価することを更に含み得る。そのような実装形態では、評価中にグラフサイクルが検出された場合には、プロセスは、Ｋ－ｍｅｒグラフの生成を終了することを含み得る。あるいは、評価中にグラフサイクルが検出されない場合には、本方法は、Ｋ－ｍｅｒグラフの構造を記述するデータをハッシュテーブルキャッシュから取得することと、Ｋ－ｍｅｒグラフの構造を記述する取得されたデータをバリアントコールモジュールに提供することとを含み得る。

本開示の別の革新的な態様によれば、プログラマブルロジックデバイスを使用するＫ－ｍｅｒグラフのハードウェア加速生成のためのシステムが開示される。本システムは、演算を実行するように構成されたハードウェアデジタルロジック回路を含むハードウェア加速グラフ生成ユニットを含み得る。一態様では、演算は、第１の核酸配列セットを取得することであって、第１の核酸配列セットが、（ｉ）参照配列の活性領域に対応する複数のリード及び（ｉｉ）参照配列の一部を含む、第１の核酸配列セットを取得することと、第１の核酸配列セットの各特定の核酸配列について、ハッシュテーブルキャッシュに記憶するために、かつ第１のハードウェアロジックユニットによって、特定の核酸配列の各Ｋ－ｍｅｒについてのグラフノードを表すデータを生成することと、制御マシンによって、第１のハードウェアロジックユニットが特定の核酸配列の各Ｋ－ｍｅｒについてのグラフノードの生成を完了したことを検出することと、制御マシンによって、生成されたグラフノードについてグラフエッジ生成を実行するように第２のハードウェアロジックユニットを構成することと、生成されたグラフノードの１つ以上のペアについて、第２のハードウェアロジックユニットによって、かつグラフハッシュテーブルに記憶するために、第１のハードウェアロジックユニットによって生成された、生成されたグラフノードの１つ以上のペアの相互間のグラフエッジを表すデータを生成することであって、ハッシュテーブルキャッシュに記憶された各Ｋ－ｍｅｒについてのグラフノードを表すデータ及びハッシュテーブルキャッシュに記憶されたグラフエッジを表すデータが、第１の核酸配列セットのＫ－ｍｅｒグラフを表す、グラフエッジを表すデータを生成することと、を含み得る。

他のバージョンは、前述の演算を実行するための対応する方法及び装置を含む。

これらの及び他のバージョンは、任意選択で、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。例えば、いくつかの実装形態では、演算は、制御マシンによって、かつ制御マシンがアクセス可能なメモリユニットに、Ｋ－ｍｅｒグラフのインスタンスのグラフ記述データを定期的に記憶することであって、グラフ記述データが（ｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ識別子及び（ｉｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ状態情報を表す、グラフ記述データを定期的に記憶することを更に含み得る。

いくつかの実装形態では、第１のハードウェアロジックユニットは、特定の核酸配列の特定のＫ－ｍｅｒのうちの１つ以上が特定の核酸配列の別のＫ－ｍｅｒと一致するかどうかを判定し、特定の核酸配列の１つ以上の特定のＫ－ｍｅｒが特定の核酸配列の別のＫ－ｍｅｒと一致するという判定に基づいて、その１つ以上の特定のＫ－ｍｅｒを非一意的なＫ－ｍｅｒとしてマークするデータを記憶するように更に構成される。

いくつかの実装形態では、第２のハードウェアロジックは、Ｋ－ｍｅｒグラフの各エッジにエッジ重みを割り当てるように更に構成されている。

いくつかの実装形態では、演算は、プログラマブルロジックデバイスの第３のハードウェアロジックユニットに、ハッシュテーブルキャッシュからＫ－ｍｅｒグラフを表すデータを取得し、Ｋ－ｍｅｒグラフを表す取得されたデータをバリアントコールユニットに提供するように構成されたハードウェアロジックを実行するように命令することを更に含み得る。

いくつかの実装形態では、演算は、プログラマブルロジックデバイスの第３のハードウェアロジックユニットに、ハッシュテーブルキャッシュからＫ－ｍｅｒグラフのグラフノードを表すデータ及びグラフエッジを表すデータを選択的に削除するように構成されたハードウェアロジックを実行するように命令することを更に含み得る。

いくつかの実装形態では、ハッシュテーブルキャッシュは、プログラマブルロジックデバイスの第３のハードウェアロジックユニットを使用して実装される。

いくつかの実装形態では、グラフ記述データは、（ｉｉｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフに対してハードウェアロジックを実行した複数のハードウェアロジックユニットのうちの最後のハードウェアロジックユニット、又はＫ－ｍｅｒグラフ識別子に関連するパイルアップの核酸配列を表すデータを更に含む。

いくつかの実装形態では、本方法は、グラフサイクルの存在をチェックするためにＫ－ｍｅｒグラフを評価することを更に含み得る。そのような実装形態では、評価中にグラフサイクルが検出された場合には、プロセスは、Ｋ－ｍｅｒグラフの生成を終了することを含み得る。あるいは、評価中にグラフサイクルが検出されない場合には、本方法は、Ｋ－ｍｅｒグラフの構造を記述するデータをハッシュテーブルキャッシュから取得することと、Ｋ－ｍｅｒグラフの構造を記述する取得されたデータをバリアントコールモジュールに提供することとを含み得る。

本開示の別の革新的な態様によれば、ハードウェア加速グラフ生成ユニットが開示される。ハードウェア加速グラフ生成ユニットは、演算を実行するように構成されたハードウェアデジタルロジック回路を含み得る。一態様では、演算は、第１の核酸配列セットを取得することであって、第１の核酸配列セットが、（ｉ）参照配列の活性領域に対応する複数のリード及び（ｉｉ）参照配列の一部を含む、第１の核酸配列セットを取得することと、第１の核酸配列セットの各特定の核酸配列について、ハッシュテーブルキャッシュに記憶するために、かつ第１のハードウェアロジックユニットによって、特定の核酸配列の各Ｋ－ｍｅｒについてのグラフノードを表すデータを生成することと、制御マシンによって、第１のハードウェアロジックユニットが特定の核酸配列の各Ｋ－ｍｅｒについてのグラフノードの生成を完了したことを検出することと、制御マシンによって、生成されたグラフノードについてグラフエッジ生成を実行するように第２のハードウェアロジックユニットを構成することと、生成されたグラフノードの１つ以上のペアについて、第２のハードウェアロジックユニットによって、かつグラフハッシュテーブルに記憶するために、第１のハードウェアロジックユニットによって生成された、生成されたグラフノードの１つ以上のペアの相互間のグラフエッジを表すデータを生成することであって、ハッシュテーブルキャッシュに記憶された各Ｋ－ｍｅｒについてのグラフノードを表すデータ及びハッシュテーブルキャッシュに記憶されたグラフエッジを表すデータが、第１の核酸配列セットのＫ－ｍｅｒグラフを表す、グラフエッジを表すデータを生成することと、を含み得る。

他の実装形態は、ハードウェア加速グラフ生成ユニットのハードウェア回路の演算を実行するように構成された方法及びシステムを含み得る。

これらの及び他のバージョンは、任意選択で、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。例えば、いくつかの実装形態では、演算は、制御マシンによって、かつ制御マシンがアクセス可能なメモリユニットに、Ｋ－ｍｅｒグラフのインスタンスのグラフ記述データを定期的に記憶することであって、グラフ記述データが（ｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ識別子及び（ｉｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ状態情報を表す、グラフ記述データを定期的に記憶することを更に含み得る。

いくつかの実装形態では、第１のハードウェアロジックユニットは、特定の核酸配列の特定のＫ－ｍｅｒのうちの１つ以上が特定の核酸配列の別のＫ－ｍｅｒと一致するかどうかを判定し、特定の核酸配列の１つ以上の特定のＫ－ｍｅｒが特定の核酸配列の別のＫ－ｍｅｒと一致するという判定に基づいて、その１つ以上の特定のＫ－ｍｅｒを非一意的なＫ－ｍｅｒとしてマークするデータを記憶するように構成することができる。

いくつかの実装形態では、第２のハードウェアロジックは、Ｋ－ｍｅｒグラフの各エッジにエッジ重みを割り当てるように更に構成されている。

いくつかの実装形態では、演算は、プログラマブルロジックデバイスの第３のハードウェアロジックユニットに、ハッシュテーブルキャッシュからＫ－ｍｅｒグラフを表すデータを取得し、Ｋ－ｍｅｒグラフを表す取得されたデータをバリアントコールユニットに提供するように構成されたハードウェアロジックを実行するように命令することを更に含み得る。

いくつかの実装形態では、演算は、プログラマブルロジックデバイスの第３のハードウェアロジックユニットに、ハッシュテーブルキャッシュからＫ－ｍｅｒグラフのグラフノードを表すデータ及びグラフエッジを表すデータを選択的に削除するように構成されたハードウェアロジックを実行するように命令することを更に含み得る。

いくつかの実装形態では、ハッシュテーブルキャッシュは、プログラマブルロジックデバイスの第３のハードウェアロジックユニットを使用して実装される。

いくつかの実装形態では、グラフ記述データは、（ｉｉｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフに対してハードウェアロジックを実行した複数のハードウェアロジックユニットのうちの最後のハードウェアロジックユニット、又はＫ－ｍｅｒグラフ識別子に関連するパイルアップの核酸配列を表すデータを更に含み得る。

いくつかの実装形態では、演算は、グラフサイクルの存在をチェックするためにＫ－ｍｅｒグラフを評価することと、評価中にグラフサイクルが検出された場合に、ｋ－ｍｅｒグラフの生成を終了するか、又は評価中にグラフサイクルが検出されなかった場合に、ｋ－ｍｅｒグラフの構造を記述するデータをハッシュテーブルキャッシュから取得することと、ｋ－ｍｅｒグラフの構造を記述する取得されたデータをバリアントコールモジュールに提供することとを更に含み得る。

本開示のこれら及び他の態様は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明においてより詳細に論じられる。

Ｋ－ｍｅｒグラフのハードウェア加速生成のためのシステムの一例を示す図である。 Ｋ－ｍｅｒグラフのハードウェア加速生成のためのプロセスの一例のフローチャートである。 Ｋ－ｍｅｒグラフのハードウェア加速生成のためのプロセスの別の例のフローチャートである。 Ｋ－ｍｅｒグラフの一例を示す図である。 ハードウェア加速Ｋ－ｍｅｒグラフに使用することができるシステム構成要素の一例のブロック図である。

本開示は、Ｋ－ｍｅｒグラフのハードウェア加速生成に関する。ハードウェア回路を使用するＫ－ｍｅｒグラフの生成は、Ｋ－ｍｅｒグラフの生成に必要な時間量を大幅に削減し、計算集約的なＫ－ｍｅｒグラフ生成プロセスをソフトウェアプロセッサから集積回路のハードウェアロジック、例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ又はＡＳＩＣにアンロードする。これにより、他のゲノムデータ処理タスクを実行するために使用することができるソフトウェアプロセッサのソフトウェアリソースが解放される。

Ｋ－ｍｅｒグラフのハードウェア加速生成は、複数の非パイプラインハードウェアロジックユニットによって実行される演算のワークフローを管理するように構成された制御マシンを使用して達成することができる。特に、制御マシンは、複数の非パイプラインハードウェアロジックユニットを使用して、高レベルのパイプライン機能を抽象的に実現することができる。制御マシンは、（ｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフのインスタンスを識別するＫ－ｍｅｒグラフ識別子及び（ｉｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ状態情報を含むグラフ記述データを記憶及び更新することによってこの機能を実現することができる。Ｋ－ｍｅｒグラフ状態情報は、例えば、Ｋ－ｍｅｒグラフの特定のインスタンスの生グラフデータに基づいて演算を行った最後のハードウェアロジックユニットを示すデータ、最後のハードウェアロジックユニットが演算を中断したかどうかを示すデータ、Ｋ－ｍｅｒ長さを示すデータ、Ｋ－ｍｅｒノードリストを示すデータ、キャッシュ内のＫ－ｍｅｒノードを識別するために使用することができるポインタのリストを示すデータ、Ｋ－ｍｅｒノードリストの長さ、非一意的なＫ－ｍｅｒのリストを示すデータ、又はそれらの任意のサブセット若しくは組み合わせを含み得る。制御マシンは、生グラフデータに基づいて演算を実行することになる特定のハードウェアロジックユニットを呼び出し、呼び出されたハードウェアロジックユニットにグラフ記述データの更新されたセットを提供することによって、Ｋ－ｍｅｒグラフ生成を管理する。

グラフ記述データのこの記憶及び更新により、制御マシンは、非パイプラインハードウェアロジックユニットの各々が異なるＫ－ｍｅｒグラフに対応するデータに基づいて演算を行うことを可能にする方法で、非パイプラインハードウェアロジックユニットの並列処理を管理することが可能になる。したがって、Ｋ－ｍｅｒグラフを生成するためにソフトウェア命令を実行する代わりにハードウェアロジックを使用して達成される高速化という利点に加えて、本開示は、制御マシンによって管理される異なるハードウェアロジックユニットを使用して異なるＫ－ｍｅｒグラフのセグメントを同時に生成することでスループットを向上させることによって、更に高速化された演算を実現する。

図１は、Ｋ－ｍｅｒグラフのハードウェア加速生成のためのシステム１００の一例である。いくつかの実装形態では、システム１００は、核酸シーケンサー１１０、参照配列データベース１２０、ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０、複数のハードウェアロジックユニット１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６、１３７、１３８、制御マシン１４０、グラフハッシュテーブルキャッシュ１５０、ＤＲＡＭ１６０、及びバリアントコールユニット１８０を含み得る。いくつかの実装形態では、ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などのプログラマブルロジック回路を使用して実装することができる。他の実装形態では、ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を使用して実装することができる。いずれのシナリオでも、ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０に関して説明された機能、及びその上に実装された各構成要素は、機能を実現するためにソフトウェア命令を実行することなく、本明細書に記載された機能を実現するように構成されたハードウェアロジック回路を使用して実装される。

「ユニット」という用語は、本明細書では、指定された機能を実行するために使用されるソフトウェアモジュール、ハードウェアモジュール、又は両方の組み合わせを説明するために使用される。本明細書に記載の特定の「ユニット」がハードウェア、ソフトウェア、又は両方の組み合わせであるかどうかの判定は、その使用の文脈に基づいて行うことができる。例えば、ＦＰＧＡ又はＡＳＩＣを用いて実装されるハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０に常駐する「入力ユニット」１３１、「グラフノードユニット」１３２、「グラフエッジユニット」１３３などは、その機能が、特定の「ユニット」に関して本明細書で説明される機能を実現するように構成されたハードワイヤードデジタルロジックゲート又はハードワイヤードデジタルロジックブロックによって実現されるハードウェアユニットである。別の例として、図１のハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０を使用して実装されない「バリアントコールユニット」１８０は、その機能が、「バリアントコールユニット」１８０の機能を定義するソフトウェア命令を実行する１つ以上のコンピュータによって実現されるソフトウェアモジュールである。別の例として、コンピュータ又は処理ユニットは、ソフトウェア命令を処理することによって機能を実現するハードウェアデバイスとすることができ、したがって、そのコンピュータ又は処理ユニットの機能は、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせである。

図１の１つ以上の構成要素の例は、「制御マシン」１４０などのハードウェア実装として本明細書に提供されているが、それは、「制御マシン」が図１ではハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０に実装されているものとして示されているためであって、本開示はそのような例に限定されない。代わりに、「制御マシン」１４０がソフトウェアにおいて、ソフトウェアモジュール又はハードウェアとソフトウェアの組み合わせとして実装され、コンピュータ又は処理ユニットがソフトウェア命令を実行して本明細書に記載の「制御マシン」１４０の機能を実現する、他の実装形態を採用することができる。同様に、図１に関してソフトウェアとして説明された特定の構成要素、例えば、「バリアントコールユニット」１８０がハードウェア実装として実装される本開示の実装形態があり得る。

核酸シーケンサー１１０は、一次解析を行うように構成されたデバイスである。一次解析は、核酸シーケンサー１１０によって、血液サンプル、組織サンプル、痰、又は核酸などの生体サンプル１０５を受け取ること、及び、核酸シーケンサー１１０によって、それぞれが受け取った生体サンプルの核酸配列のヌクレオチドの順序を表す１つ以上のリード１１２などの出力データを生成することを含み得る。いくつかの実装形態では、核酸シーケンサー１１０による配列決定は、複数のリードサイクルで実行することができ、第１のリードサイクルは、核酸配列断片の第１の末端からのヌクレオチドの順序を表す塩基呼び出しのストリングを含む１つ以上の第１のリードを生成し、第２のリードサイクルは、核酸配列断片のうちの１つのもう一方の末端からのヌクレオチドの順序を表す塩基呼び出しのストリングを含む１つ以上のそれぞれの第２のリードを生成する。いくつかの実装形態では、リードは、クローン増幅を用いて生成され得る。図１の例において、１つ以上のリード１１２は、特定の参照ゲノム位置に対するリードのパイルアップを含み得、参照ゲノム位置は、複数の連続した参照ゲノム位置から構成される。

したがって、各リードは、動物、昆虫、植物などの生物の核酸ゲノムの一部を表すデータである。約６００塩基呼び出しの短い核酸配列断片を想定すると、第１のリードは、核酸配列断片の第１の末端の１５０個の順序付けられたヌクレオチドを表してもよく、第２のリードは、核酸配列断片のもう一方の末端の１５０個の順序付けられたヌクレオチドを表してもよい。しかしながら、これらの数は単なる例であり、任意のシーケンシング方法を使用して本明細書に記載のハードウェア加速グラフ生成ユニットによって演算が行われ得るリードを生成するように任意の核酸シーケンサー１１０を構成することができる。そのようなリードは、本明細書で述べたものとは異なる長さであり得る。例えば、いくつかの実装形態では、本開示は、最大で１０００ヌクレオチド又はそれ以上を有する核酸配列断片によって生成されたリードのハードウェア加速Ｋ－ｍｅｒグラフを生成するために使用することができ、各リードは、例えば、各断片の末端から５０塩基呼び出し、７５塩基呼び出し、１５０塩基呼び出し、２００塩基呼び出し、３００塩基呼び出し、５００塩基呼び出し又はそれ以上を有する。各塩基呼び出しはヌクレオチドに対応し得る。本開示はまた、ロングリードのハードウェア加速Ｋ－ｍｅｒグラフを生成するために使用することもできる。したがって、ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０は、任意のタイプの核酸シーケンサーによって任意の方法で生成された任意のリードのＫ－ｍｅｒグラフを生成するために使用することができる。

いくつかの実装形態では、生体サンプル１０５は、ＤＮＡサンプルを含むことができ、核酸シーケンサー１１０は、ＤＮＡシーケンサーを含むことができる。このような実装形態では、核酸シーケンサーによって生成されたリード中のシーケンシングされたヌクレオチドの順序は、グアニン（Ｇ）、シトシン（Ｃ）、アデニン（Ａ）、及びチミン（Ｔ）のうちの１つ以上を任意の組み合わせで含むことができる。いくつかの実装形態では、核酸シーケンサー１１０を使用してＲＮＡサンプルを配列決定することができる。いくつかの実装形態では、これはＲＮＡ－ｓｅｑプロトコルを使用して行うことができる。例として、逆転写酵素を使用して相補的ＤＮＡ（ｃＤＮＡ）を形成するために逆転写を使用してＲＮＡサンプルを前処理することができる。他の実装形態では、核酸シーケンサー１１０は、ＲＮＡシーケンサーを含むことができ、生体サンプルは、ＲＮＡサンプルを含むことができる。したがって、図１の例は、ＤＮＡサンプルに基づいてＤＮＡシーケンサーによって生成されるＧ、Ｃ、Ａ及びＴから構成されるリードを生成する核酸シーケンサーを記載しているが、本開示はそのように限定されない。代わりに、他の実装形態は、ＲＮＡサンプルに基づいてＲＮＡシーケンサーによって生成されるＣ、Ｇ、Ａ、及びＵから構成されるリードを処理することができる。いくつかの実装形態では、核酸シーケンサーによって生成されたＤＮＡリード又はＲＮＡリードは、塩基呼び出しＮを含むことができ、Ｎは、核酸シーケンサーによって生成された未知の塩基呼び出しを示す。

いくつかの実装形態では、核酸シーケンサー１１０は、超高スループット、スケーラビリティ、及び超並列シーケンシング技術の使用による速度を達成する手法で、所与のサンプルについてのリード１１２などのシーケンスリードを生成するように構成された次世代シーケンサー（next generation sequencer、ＮＧＳ）を含むことができる。ＮＧＳは、ゲノム全体の迅速なシーケンシングと、深くシーケンシングされた標的領域にズームするか、ＲＮＡシーケンシング（ＲＮＡ－Ｓｅｑ）を利用して、新規ＲＮＡ変異体及びスプライス部位を発見するか、又は遺伝子発現解析、ゲノムワイドＤＮＡメチル化及びＤＮＡ－タンパク質相互作用などのエピジェネティック因子の解析、希少体変異体及び腫瘍サブクローンを研究するための癌サンプルのシーケンシング、並びにヒト又は環境における微生物多様性の研究のためのｍＲＮＡを定量化する能力と、を可能にする。

核酸シーケンサー１１０は、参照ゲノムデータベース１２２から参照ゲノム１２２を取得することができる。いくつかの実装形態では、参照ゲノム１２２の一部のみが得られる。得られる参照ゲノム１２２の部分は、リード１１２のパイルアップがマッピングされ、アラインメントされる参照ゲノム１２２の参照位置に対応し得る。参照ゲノムデータベース１２２は、複数の異なる参照ゲノムのためのストレージを構成するデータストレージを含むことができる。いくつかの実装形態では、参照ゲノムデータベースから選択される特定の参照ゲノム１２２は、ＤＮＡサンプル１０５のタイプに基づくことができる。いくつかの実装形態では、参照ゲノムデータベース１２０から選択された参照ゲノム１２２のタイプは、核酸シーケンサー１１０のユーザからの入力に基づいて選択され得る。そのような実装形態では、ユーザは、例えば、参照ゲノムデータベース１２０から特定の参照ゲノム１２２を選択するために核酸シーケンサー１１０が使用し得る参照ゲノム１２０識別子を選択することができる。参照ゲノム１２２は、例えば、特定の種に関する遺伝子のセットの代表例として作成された核酸配列を含み得る。

核酸シーケンサー１１０によって生成されたリード１１２のパイルアップと得られた参照ゲノム１２２との組み合わせは、ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０への入力として提供され得る。これらの入力は、ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０のハードウェアロジックユニット１３１～１３８のうちの１つ以上によって処理されて、Ｋ－ｍｅｒグラフのインスタンスを生成することができる。例えば、ハードウェアロジックユニット１３１～１３８の各ハードウェアロジックユニットは、ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０への入力として含まれるリード１１２のパイルアップの各リードについてそれぞれの演算を実行するように構成することができる。

図１のシステム１００は、核酸シーケンサーを含むものとして本明細書に記載されている。いくつかの実装形態、例えば、図１を参照して説明した実装形態では、本システムはシーケンサー１１０及びハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０を含むことができ、システム１００の他の構成要素は核酸シーケンサー１１０内に統合することができる。ただし、本開示は核酸シーケンサー１１０内に統合されることに限定されない。代わりに、いくつかの実装形態では、ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０は、核酸シーケンサー１１０から離れており、例えば１つ以上の有線又は無線ネットワークを用いることなどにより核酸シーケンサー１１０に通信可能に結合されているコンピュータ内に統合又は収容されたプログラマブルロジックデバイス又はＡＳＩＣに実装することができる。同様に、データベース１２０、バリアントコールユニット１８０、又はその両方は、核酸シーケンサー１１０の外部に実装されてもよい。同様に、システム１００が核酸シーケンサー１１０を含む必要は全くない。代わりに、いくつかの実装形態では、ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０、及び図１の他の構成要素は、核酸シーケンサー１１０を含まないコンピュータシステムに実装することができる。そのような実装形態では、ハードウェア加速グラフ生成ユニットは、ネットワークを介して、１つ以上のメモリデバイスの記憶位置などから、リード１１２、参照配列１２２、又はその両方のパイルアップを取得することができる。したがって、システム１００は、本開示の一例を示しているが、本開示をシステム構成要素の任意の特定の構成に限定するものではない。

ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０の１つ以上のハードウェアロジックユニットは、入力ユニット１３１、グラフノードユニット１３２、グラフエッジユニット１３３、逆伝播ユニット１３４、サイクルユニット１３５、プルーニングユニット１３６、グラフ出力ユニット１３７、及び消去ユニット１３８を含むことができる。いくつかの実装形態では、ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０によるＫ－ｍｅｒグラフの生成は、制御マシン１４０が、ハードウェアロジックユニット１３１～１３８の各々を起動及び構成し、キャッシュ１５０又はＤＲＡＭ１６０に記憶されたデータのセットに基づいてそれぞれのハードウェアロジック演算を実行することを含むことができる。他の実装形態では、制御マシン１４０は、ハードウェアロジックユニット１３１～１３８のサブセットのみを起動及び構成して、キャッシュ１５０又はＤＲＡＭ１６０に記憶された生グラフデータのセットに基づくそれぞれのハードウェアロジック演算を実行することができる。

例として、いくつかの実装形態では、ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０を使用して、Ｄｅ Ｂｒｕｉｊｎグラフの特殊な形態を生成することができる。このＤｅ Ｂｒｕｉｊｎグラフの特殊な形態は、非一意的なＫ－ｍｅｒが、複数のエッジを有する単一のノードによって表されるのではなく、各々が単一のエッジを有するグラフ内の複数のそれぞれのノードを用いて表されるように最適化することができる。これは、部分的には、グラフユニット１３２を使用して非一意的なＫ－ｍｅｒを識別し、更なる処理のために非一意的なＫ－ｍｅｒにフラグを立てることによって達成され得る。非一意的なＫ－ｍｅｒは、任意の単一のリードにおいて少なくとも２回、又は参照配列において少なくとも２回生じるＫ－ｍｅｒ配列として定義され得る。一意的なＫ－ｍｅｒは、同じリード内では２回以上発生しないものの、複数のリード内で発生し得る。

ただし、他の実装形態では、一意的なＫ－ｍｅｒと非一意的なＫ－ｍｅｒとを区別することなく、Ｄｅ Ｂｒｕｉｊｎグラフを生成することができる。したがって、いくつかの実装形態では、非一意的なＫ－ｍｅｒを識別することができるグラフノードユニット１３２は実装される必要がない。更に別の例では、逆伝播ユニット１３４は、すべてのＫ－ｍｅｒグラフを生成するために使用される必要はない。代わりに、逆伝播ユニット１３４は、性能を向上させることができる実装形態に限定されてもよい。一例として、逆伝播ユニット１３４は、生成されたＫ－ｍｅｒグラフのシーケンスグラフへの後の変換が予期される場合において、エッジ重みの品質を改善するために使用することができる。

図１の例に関して説明したＫ－ｍｅｒグラフ生成例は、制御マシン１４０によって起動及び構成され得る各ハードウェアロジックユニット１３１～１３８を示している。この説明では、各ハードウェアロジックユニット１３１～１３８は、一般に、制御マシン１４０によって起動され、例えば、制御マシン１４０によって記憶されたグラフ記述データを使用して制御マシン１４０によって構成され、生グラフデータを取得し、取得された生グラフデータ又は他のデータに基づいて１つ以上の特定の処理演算を実行し、次いで生グラフデータ、グラフ記述データ、又はその両方を更新するものとして説明したが、本開示はそのように限定されない。ただし、本開示はそのような実装形態に限定されない。代わりに、いくつかの実装形態では、各ハードウェアロジックユニット１３１～１３８は、そのそれぞれの機能の複数のインスタンスを実行するように構成することができる。例えば、グラフノードユニット１３２は、生グラフデータの最大３つの別個のセットを受け入れて、それに基づく演算を同時に実行するように構成することができ、サイクルハードウェアロジックユニット１３５は、生グラフデータの最大３つの別個のセットを受け入れて、それに基づく演算を同時に実行するように構成することができ、ＰＲＵは、生グラフデータの最大２つの別個のセットを受け入れて、それに基づく演算を同時に実行するように構成することができる。異なるＫ－ｍｅｒグラフにそれぞれ対応する別個のセット又は生グラフデータの数は、特定のハードウェアロジックユニット１３１～１３８によって受信及び処理されることができ、システム１００に利用可能なハードウェアリソースによってのみ制限される。例えば、十分なレベルのＤＲＡＭ及びＦＰＧＡロジックユニットを使用することが可能であると仮定すると、ハードウェアロジックユニット１３１～１３８によって受信され、同時に処理され得る生グラフデータの別個のセットの数は、４以上であり得る。同様に、１つ以上のハードウェアロジックユニット１３１～１３８は、そのようなリソースが容易に利用できない場合、又は特定のハードウェアロジックユニットを大量に使用することが予想されない場合には、より少数の生グラフデータセットを受信して、同時に処理するように構成することができる。

更に他の実装形態では、各々が異なるＫ－ｍｅｒグラフに対応する生グラフデータの別個のセットを各々が同時に処理することができる各ハードウェアロジックユニット１３１～１３８のインスタンスが１つだけである必要はない。代わりに、いくつかの実装形態では、各ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０の複数のインスタンスは、ハードウェアロジックユニット１３１～１３８のうちの１つ以上の複数のインスタンスを含むように構成することができる。そのような場合、制御マシン１４０は、各ハードウェアロジックユニット１３１～１３８のステータス及び可用性を監視し、次いで、各それぞれのハードウェアロジックユニットにわたる処理演算を負荷分散する方法で、各ハードウェアロジックユニットを起動及び構成するように構成することができる。例えば、いくつかの実装形態では、ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０は、それぞれが最大３つの別個の生グラフデータセットを受信して、それに基づく演算を同時に実行することができるグラフノードユニット１３２の３つのインスタンスと、それぞれが最大３つの別個の生グラフデータセットを受信して、それに基づく演算を同時に実行することができるグラフエッジユニット１３３の３つのインスタンスと、それぞれが最大２つの別個の生グラフデータセットを受信して、それに基づく演算を同時に実行することができる２つの逆伝播ユニット１３４と、それぞれが最大２つの別個の生グラフデータセットを受信して、それに基づく演算を同時に実行することができる３つのサイクルユニット１３５とを有するように構成することができる。各ハードウェアロジックユニットの起動／解除、各ハードウェアロジックユニットの構成、各ハードウェアロジックユニットへの入力、各ハードウェアロジックユニットからの出力、及び各ハードウェアロジックユニットによるグラフ記述データの更新は、制御マシン１４０によって管理及び指示される。

入力ユニット

入力ユニット１３１は、生成されたリード１１２のパイルアップ及び選択された参照ゲノム１２２を含む入力データを受信することができ、本明細書では、これを生グラフデータと呼ぶ場合がある。選択された参照ゲノム１２２は、参照ゲノムの一部を含み得る。生グラフデータは、例えば、Ｋ－ｍｅｒグラフのインスタンスの生成中に１つ以上のハードウェアロジックユニット１３１～１３８によって処理されるデータを含み得る。生グラフデータは、例えば、生成されたリード１１２及び選択された参照ゲノム１２２を含む一方で、生グラフデータはまた、例えば、グラフノードユニット１３２によって生成されたＫ－ｍｅｒノードやグラフエッジユニット１３３によって生成されたエッジなども含み得る。入力ユニット１３１は、生成されたリード１１２及び得られた参照ゲノム１２２をＤＲＡＭ１６０に記憶するためにフォーマットすることができる。生成されたリードをフォーマットすることは、例えば、ＤＲＡＭ１６０に記憶するためにリードを符号化することを含み得る。いくつかの実装形態では、リードを符号化することは、リードのヌクレオチドに対応する各塩基呼び出しを４ビット値に符号化することを含み得る。例えば、Ａは００００として符号化することができ、Ｃは０００１として符号化することができ、Ｇは００１０として符号化することができ、Ｔは００１１として符号化することができ、Ｎは０１００として符号化することができ、Ｎは未知の塩基呼び出しである。いくつかの実装形態では、符号化データはまた、ＭＡＰＱスコア、リード番号、配列長、ＳＡＭフラグ、リードの塩基呼び出し若しくはヌクレオチド、ＭＡＰＱスコア以外のリードの１つ以上の品質指標、又はそれらの任意の組み合わせを表すデータを含み得る。符号化されたリードデータは、リードを記述する１６ビット値から６４ビット値又はそれ以上の範囲とすることができる。入力ユニット１３１は、生成されたリードをＤＲＡＭ１６０に書き込むことができる。

制御マシン１４０は、生の入力データの受信を検出し、入力ユニット１３１を起動し、生の入力データに基づいて生成されることになるＫ－ｍｅｒグラフのインスタンスに対応するグラフ記述データを初期化することができる。入力ユニット１３１を起動することは、制御マシン１４０が、入力ユニット１３１に入力として提供された生データに基づいて、入力ユニット１３１のハードウェアロジック回路によって定義された演算を実行するように入力ユニット１３１に命令する１つ以上の制御メッセージを入力ユニット１３１に送信することを含み得る。いくつかの実装形態では、入力ユニット１３１などのハードウェアロジックユニットを起動することはまた、制御マシンが、その演算を実行するためにハードウェアロジックユニットを構成するために使用することができるグラフ記述データをハードウェアロジックユニットに提供することを含み得る。ハードウェアロジックユニットを構成することは、例えば、Ｋ－ｍｅｒを記憶するキャッシュ記憶位置へのポインタであるＫ－ｍｅｒノードを提供することと、Ｋ－ｍｅｒの長さを記述する情報又はハードウェアロジックユニットが演算を行うために必要な同様の情報を提供することとを含み得る。

グラフ記述データを初期化することは、例えば、制御マシン１４０が、生の入力データのためのＫ－ｍｅｒグラフ識別子を生成すること、グラフ状態情報データ構造の生成、又はそれらの組み合わせを含み得る。Ｋ－ｍｅｒグラフ識別子は、生グラフデータが入力ユニット１３１によって受信された時点から、少なくとも、特定の生グラフデータセットに関するＫ－ｍｅｒグラフを完全に生成した後にキャッシュ１５０、ＤＲＡＭ１６０、又はその両方からＫ－ｍｅｒグラフ識別子に関連するデータが消去ユニット１３８を使用して除去される時点までのＫ－ｍｅｒグラフ生成プロセス全体を通して、Ｋ－ｍｅｒグラフのインスタンスを識別するために使用することができる、１つ以上の文字、１つ以上の数字、又はそれらの組み合わせのデータ列を含む。いくつかの実装形態では、Ｋ－ｍｅｒグラフ識別子は、０～６３の値を有する６ビット数などの数を含むことができる。いくつかの実装形態では、消去ユニットを使用してキャッシュ１５０、ＤＲＡＭ１６０、又はその両方から前述のデータを削除した後、Ｋ－ｍｅｒグラフ識別子を使用してＫ－ｍｅｒグラフを参照することもできる。グラフ状態情報データ構造は、生の入力データの特定のセットに対して生成されることになるＫ－ｍｅｒグラフのインスタンスの現在の状態を記述するデータを記憶する１つ以上のフィールドを有するデータ構造である。状態情報は、例えば、Ｋ－ｍｅｒグラフの特定のインスタンスの生グラフデータに基づいて演算を行った最後のハードウェアロジックユニットを示すデータ、最後のハードウェアロジックユニットが演算を中断したかどうかを示すデータ、Ｋ－ｍｅｒ長さを示すデータ、Ｋ－ｍｅｒノードリストを示すデータ、キャッシュ内のＫ－ｍｅｒノードを識別するために使用することができるポインタのリストを示すデータ、Ｋ－ｍｅｒノードリストの長さ、非一意的なＫ－ｍｅｒのリストを示すデータ、キャッシュ又はＤＲＡＭ内の生の入力データの位置を示すデータ、Ｋ－ｍｅｒグラフのインスタンスのノードのＤＲＡＭ内のベースアドレスを示すデータ、又はそれらの任意のサブセット若しくは組み合わせを含み得る。

入力ユニット１３１は、入力リード１１２及び参照ゲノム１２２をフォーマットし、入力リード１１２及び参照ゲノムをＤＲＡＭ１６０に書き込むことができる。制御マシン１４０は、入力ユニット１３１が入力リード１１２及び参照ゲノム１２２のＤＲＡＭ１６０へのフォーマット及び書き込みを完了したときを検出することができる。制御マシン１４０が入力リード１１２及び参照ゲノム１２２のフォーマット及びＤＲＡＭへの書き込みの完了を検出すると、制御マシン１４０は、Ｋ－ｍｅｒグラフの第１のインスタンスの第１の生グラフデータに対する入力ユニット１３１の演算が完了したことを示すようにグラフ状態情報を更新することができる。

第１の生グラフデータが入力され、フォーマットされ、ＤＲＡＭ１６０に記憶されると、制御マシン１４０は、次に起動及び構成される次のハードウェアロジックユニットを決定することができる。例えば、制御マシン１４０は、グラフノードユニット１３２を起動及び構成し、参照ゲノム１２２の部分及びフォーマットされＤＲＡＭ１６０に記憶されたリードのパイルアップに基づいてＫ－ｍｅｒノードを生成することができる。

グラフノードユニット

制御マシン１４０は、グラフノードユニット１３２を起動及び構成し、ＤＲＡＭに記憶されたフォーマットされたリード１１２及び参照ゲノム１２２を処理することによって、Ｋ－ｍｅｒグラフの第１のインスタンスの生成を継続することができる。これは、例えば、制御信号をグラフノードユニット１３２に送信すること、グラフ記述データをグラフノードユニット１３２に提供すること、又はそれらの組み合わせを含み得る。グラフ記述データを使用して、演算のためのグラフノードユニット１３２を構成することができる。例えば、グラフ記述データをグラフノードユニット１３２に制御マシン１４０から提供することにより、グラフノードユニット１３２を、グラフ記述データによって定義される特定のサイズのＫ－ｍｅｒを識別するように構成することができる。本明細書で説明されるグラフ記述データの他のフィールドは、同様の方法でグラフノードユニット１３２などのハードウェアロジックユニットを構成するために使用することができる。

加えて、制御マシン１４０は、実質的に並行して、入力ユニット１３１が第２の生グラフデータを入力として受け取ったことを検出することができる。次に、制御マシン１４０は、入力ユニット１３１を起動し、ユニット１３１に、第２の生グラフデータのリード及び参照ゲノムをフォーマットするように命令し、第２の生グラフデータに基づいて生成されることになるＫ－ｍｅｒグラフの第２のインスタンスのための第２のグラフ記述データを生成することができる。このように、制御マシン１４０は、異なる処理段階で生グラフデータの異なるセットに基づいてＫ－ｍｅｒグラフ生成プロセスを実行している異なるハードウェアロジックユニット１３１、１３２の動作を同時に管理することによって、高レベルのスループットを実現することができる。制御マシン１４０は、ハードウェアロジックユニット１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６、１３７、１３８の各々にわたってこの並列機能を管理するように構成され、その結果、任意の特定の時点において、生グラフデータの８つの異なるセットに基づいて演算を行う８つものハードウェアロジックユニットが存在することがあり、ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０は、８つの異なるＫ－ｍｅｒグラフを同時に生成するように動作する。制御マシン１４０は、グラフ記述データを使用して、各関連ハードウェアロジックユニットを起動及び構成することによって、全体を通してこのプロセスを管理して、各それぞれのハードウェアロジックユニット相互間に直接的かつ物理的な入出力接続を持たない非パイプラインハードウェアロジックユニット１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６、１３７、１３８から抽象的に高レベルのパイプライン機能を実現する。同時に実行される８つのＫ－ｍｅｒグラフの同時生成の例が示されているが、本開示は、例えば、一度に複数のハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０を実装すること、１つ以上のハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０上の複数のハードウェアロジックユニットの複数のインスタンス、又はそれらの組み合わせによって、より多くのＫ－ｍｅｒグラフの同時生成を実現するように構成することができる。

グラフノードユニット１３２は、リード１１２のパイルアップの各リードを分析して、リードのＫ－ｍｅｒのそれぞれを識別することができる。これは、例えば、各リードの各位置に沿ってＫ－ｍｅｒアクセスウィンドウをスライドさせてそれぞれのリードの各特定のＫ－ｍｅｒを識別することを含み得る。グラフノードユニット１３２は、各リードの各識別されたＫ－ｍｅｒについて、Ｋ－ｍｅｒグラフのノードを表すデータをキャッシュ１５０に記憶することができる。同様に、グラフノードユニット１３２はまた、ノードポインタのデータ構造内のノードポインタのリストを生成してＤＲＡＭに記憶することができ、各ノードポインタはＫ－ｍｅｒノードキャッシュ位置を指す。グラフノードユニット１３２はまた、制御マシンによって保持されるグラフ記述データ内の各Ｋ－ｍｅｒグラフについてのノードポインタのリストの位置及び長さを示す情報を生成して記憶することができる。これらのポインタは、Ｋ－ｍｅｒグラフ生成プロセスの後続部分において別のハードウェアロジックユニットを構成するために、制御マシン１４０によってグラフ状態情報として使用され得る。キャッシュ１５０は、キャッシュ１５０の最も古いオブジェクトを追い出すように構成されたＬＲＵキャッシュコヒーレンシポリシーなどの１つ以上のキャッシュコヒーレンシポリシーを使用することができ、最も古いオブジェクトは、オブジェクトがキャッシュ１５０に書き込まれた時間に基づいて判定される。

グラフノードユニット１３２によって生成され、キャッシュ１５０、ＤＲＡＭ１６０、又はその両方に記憶されるデータの一例を図４を参照して示す。図４は、参照ゲノム４１０、リード４２０の一部を示し、Ｄｅ Ｂｒｕｉｊｎグラフ４００が提示されている。以下により詳細に記載されるＤｅ Ｂｒｕｉｊｎグラフ４００は、ゲノム４１０及びリード４２０の一部における各Ｋ－ｍｅｒについてのノードと、ｋ－１重複ヌクレオチドを有するノードのペアをリンクするＫ－ｍｅｒノードの各ペアの間のエッジとを含む。

図４の例を参照すると、グラフノードユニット１３２は、参照ゲノム４１０の一部及びリード４２０の受信に基づいて、ＤｅＢｒｕｉｊｎグラフ４００の第１の経路４３０のノード４３１、４３２、４３３、４３４、４３５、４３６、４３７、４３８を表すデータを生成することができ、ノード４４１、４４２、４４３、４４４を生成することができる。まず、グラフノードユニット１３２は、図４に示されるように、重複領域を識別するために、参照ゲノム４１０ａ、４１０ｂの重複部分及びリード４２０ａ、４２０ｂの重複部分を整列させることができる。グラフノードユニット１３２は、ゲノム４１０及びリード４２０の部分のＫ－ｍｅｒのそれぞれを識別することができる。これは、アクセスウィンドウによって識別されたＫ－ｍｅｒを捕捉する参照ゲノム４１０の部分の最初の位置で、長さｋ（この例では４に等しい）のアクセスウィンドウを使用し、捕捉されたＫ－ｍｅｒを含むグラフのノードを表すデータを生成し、ノードを表すデータをキャッシュ１５０に記憶し、アクセスウィンドウをヌクレオチド１つ分前進させ、以降、このプロセスを反復的に繰り返すことによって達成することができる。この例では、グラフノードユニット１３２は、参照ゲノム４１０の部分について、Ｋ－ｍｅｒ ＡＴＣＧ、ＴＣＧＣ、ＣＧＣＣ、ＧＣＣＴ、ＣＣＴＡ、ＣＴＡＧ、ＴＡＧＡ、及びＡＧＡＡを識別して、それぞれのノード４３１、４３２、４３３、４３４、４３５、４３６、４３７、４３８を生成することができ、これらのノードのうちの１つはそれぞれのＫ－ｍｅｒに対応する。各ノードは、長さｋ（この例では、４）を有し、次の隣接ノードとｋ－１個のＫ－ｍｅｒが重複するように作成される。グラフノードユニット１３２は、生成されたノードをキャッシュ１５０、ＤＲＡＭ１６０、又はその両方に記憶することができる。いくつかの実装形態では、キャッシュはハッシュテーブルキャッシュを含むことができる。そのような実装形態では、ノードはハッシュテーブルの鍵として記憶され得る。グラフノードユニット１３２は、制御マシン１４０によって維持されるグラフ記述データ内のＫ－ｍｅｒノード位置へのポインタを記述するデータを記憶することができる。

グラフノードユニット１３２は、リード４２０に対して同じ演算を実行することができる。リード４２０に関して、グラフノードユニット１３２は、Ｋ－ｍｅｒ ＡＴＣＧ、ＴＣＧＣ、ＣＧＣＧ、ＧＣＧＴ、ＣＧＴＡ、ＧＴＡＧ、ＴＡＧＡ、及びＡＧＡＡを識別することができる。これは、アクセスウィンドウによって識別されたＫ－ｍｅｒを捕捉するリード４２０の部分の最初の位置において、長さｋ（この例では４に等しい）のアクセスウィンドウを使用し、以降、アクセスウィンドウを前進させ、プロセスを繰り返すことによって同様に達成することができる。グラフノードユニット１３２は、ゲノム４１０の一部について各Ｋ－ｍｅｒを識別することによって開始することができる。いくつかの実装形態では、グラフノードユニット１３２は、Ｋ－ｍｅｒのそれぞれについて対応するノードを生成することができる。他の実装形態では、グラフノードユニット１３２は、参照ゲノム４１０の部分のＫ－ｍｅｒノードとは異なる識別されたＫ－ｍｅｒに対応する４３１、４３２、４３３、４３４、４３５、４３６、４３７、４３８のみを生成し得る。各シナリオでは、各ノードは、長さｋ（この例では、４）を有し、次の隣接ノードとｋ－１個のＫ－ｍｅｒが重複するように作成される。これは、参照ゲノム４１０の部分の各Ｋ－ｍｅｒについてのノードが作成され、キャッシュ１５０又はＤＲＡＭ１６０に記憶されるまで継続することができる。

いくつかの実装形態では、グラフノードユニット１３２はまた、非一意的なＫ－ｍｅｒを識別するように構成され得る。そのような実装形態では、グラフノードユニット１３２は、リードの最初のパイルアップの各特定のリードについて、識別されたＫ－ｍｅｒが一意的なＫ－ｍｅｒであるか非一意的なＫ－ｍｅｒであるかを判定することができる。特定のＫ－ｍｅｒが一意的なＫ－ｍｅｒであるとグラフノードユニット１３２が判定した場合には、グラフノードユニット１３２は、次のＫ－ｍｅｒを評価するためにヌクレオチド１つ分アクセスウィンドウを進めることができる。あるいは、グラフノードユニット１３２が、特定のＫ－ｍｅｒが非一意的なＫ－ｍｅｒであると判定した場合には、グラフノードユニット１３２は、その特定のＫ－ｍｅｒが非一意的なＫ－ｍｅｒであることを示すデータを記憶することができる。例えば、グラフノードユニット１３２は、Ｋ－ｍｅｒが非一意的なＫ－ｍｅｒであることを示すＫ－ｍｅｒグラフの特定のインスタンスについて制御マシンによって維持されるグラフ記述データ内にデータフラグを記憶することができる。しかしながら、そのようなデータは、ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０の任意の他の構成要素によって記憶されてもよく、又はハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０の任意の他のメモリユニットに記憶されてもよく、又はそれらを組み合わせてもよい。次いで、後続のハードウェアロジックユニットは、Ｋ－ｍｅｒグラフのインスタンスにおけるサイクルを低減又は排除するために、非一意的なＫ－ｍｅｒを扱う演算を実行することができる。

プロセスのこの時点で、グラフノードユニット１３２は、各Ｋ－ｍｅｒについてのＫ－ｍｅｒグラフのノードを表すデータを、キャッシュ１５０、ＤＲＡＭ１６０、又はその両方に記憶する。すなわち、ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０は、グラフエッジ４３１ａ、４３２ａ ４３３ａ、４３４ａ、４３５ａ、４３６ａ、４３７ａ、４３２ｂ、４４１ａ、４４２ａ、４４３ａ、４４４ａ、グラフエッジ重みなどをまだ生成していない。Ｋ－ｍｅｒグラフのこのインスタンスのこれらの特徴は、ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０の１つ以上の他のハードウェアロジックユニットによって生成することができる。

制御マシン１４０は、グラフノードユニット１３２の演算を監視することができる。グラフノードユニット１３２が、Ｋ－ｍｅｒグラフのこの第１のインスタンスの第１の生グラフデータの各リードの各Ｋ－ｍｅｒについてのＫ－ｍｅｒノードを表すデータを生成すると、制御マシンは、ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０が第１の生グラフデータに基づくグラフノードユニット１３２の演算を完了したことを示すように、グラフ記述データを更新することができる。加えて、制御マシン１４０はまた、例えば、非一意的なＫ－ｍｅｒの各々を識別するフラグと、Ｋ－ｍｅｒのグラフノードの記憶位置と、グラフノードユニット１３２が演算を完了したことを示すデータとを含むグラフ記述データを記憶することもできる。

Ｋ－ｍｅｒグラフノードが生成されてキャッシュ１５０に記憶されると、制御マシン１４０は、次に起動及び構成するべき次のハードウェアロジックユニットを決定することができる。例えば、制御マシン１４０は、ノードのペアの相互間のグラフエッジを生成する、重み付けする、又はその両方を行うために、グラフエッジユニット１３３を起動及び構成することができる。

グラフエッジユニット

グラフエッジユニット１３３は、グラフノードユニット１３２によって生成されたＫ－ｍｅｒノードのペアの相互間にグラフエッジを生成することができる。制御マシン１４０は、最初のＫ－ｍｅｒグラフインスタンスのグラフノードユニット１３２が完了し、グラフエッジユニット１３３が利用可能であると判定されると、グラフエッジユニット１３３を起動することができる。いくつかの実装形態では、制御マシン１４０は、Ｋ－ｍｅｒグラフの特定のインスタンスについてグラフノードユニット１３２によって生成されたＫ－ｍｅｒグラフノードを記憶する位置を、グラフエッジユニット１３３に提供するか、さもなければアクセス可能にすることができる。例えば、制御マシン１４０は、Ｋ－ｍｅｒグラフのインスタンスについてのＫ－ｍｅｒノードの生成中にグラフノードユニット１３２によって生成されて記憶されたＫ－ｍｅｒグラフ記述データにアクセスすることができる。アクセスされたＫ－ｍｅｒグラフ記述データは、Ｋ－ｍｅｒのリストを示すか、さもなければ記述することができる。

グラフエッジユニット１３３がＫ－ｍｅｒグラフの最初のインスタンスのＫ－ｍｅｒグラフノードの位置を取得すると、グラフエッジユニットは、Ｋ－ｍｅｒノードを表すデータの間に１つ以上のグラフエッジを生成し始めることができる。いくつかの実装形態において、グラフエッジユニット１３３は、ハッシュテーブルキャッシュからの特定のリードのＫ－ｍｅｒのそれぞれについてグラフノードを表すデータにアクセスすることができる。グラフエッジユニット１３３は、ハッシュテーブルキャッシュに記憶するために、Ｋ－ｍｅｒについてのグラフノードの間のグラフエッジを表すデータを生成することができる。例えば、グラフエッジを表すデータは、エッジのソースノードのグラフノードレコードの一部としてハッシュテーブルキャッシュに記憶することができる。いくつかの実装形態では、グラフエッジユニット１３３は、Ｋ－ｍｅｒグラフの各エッジにエッジ重みを割り当てることができる。例えば、グラフエッジユニット１３３は、それぞれのＫ－ｍｅｒペアをリンクするグラフエッジのそれぞれの生成に対して、＋１又は他の重みを加えることができる。

例として、グラフエッジユニット１３３は、制御マシン１４０から取得されたグラフ記述データを使用して、隣接するノードを特定することができる。ノードは、そのノードがｋ－１の重複ヌクレオチドを共有するという判定やそのノードがスライドするＫ－ｍｅｒアクセスウィンドウの２つの連続した位置で観察されるという判定などの様々な因子に基づいて隣接ノードであると判定することができる。例えば、グラフエッジユニット１３３は、生グラフデータの各リードの各位置に沿ってＫ－ｍｅｒアクセスウィンドウをスライドさせることができる。いくつかの実装形態では、グラフエッジユニット１３３は、１つの塩基を除くすべてが重複する２つの連続するＫ－ｍｅｒがリードにおいて観察されることが判定されたときに、エッジを１つ作成するか、又はエッジ重みを１つ増加させることができる。グラフノード１３３は、そのようなシナリオにおいて、エッジを作成するか、又はエッジ重みを増分する。なぜなら、このシナリオは、それらの２つの連続するＫ－ｍｅｒに対応するグラフノードの間のエッジを意味するからである。

いくつかの実装形態では、グラフノードを表すデータは、ハッシュテーブルのハッシュ鍵として記憶され得る。かかる実装形態では、グラフエッジユニット１３３は、第１のノード（又はハッシュ鍵）がマッピングされるハッシュ位置にアクセスし、第２のノード（又はハッシュ鍵）を指すハッシュ位置に記憶するためのポインタを生成することによって、第１のノード（又はハッシュ鍵）から第２のノード（又はハッシュ鍵）へのエッジを生成することができる。後続のエッジを同じ方法で生成することができ、これにより、１つ以上のグラフウォーキングアルゴリズムを使用してウォークすることができるグラフを通る経路４３０又は４４０が作成される。

図４の例を参照すると、グラフエッジユニット１３３は、第１の経路４３０のノード４３１、４３２、４３３、４３４、４３５、４３６、４３７、４３８のペア、第２の経路４４０のノード４４１、４４２、４４３、４４４のペア、又は第１の経路４３０及び第２の経路４４０のノードの１つ以上のペアの相互間の１つ以上のエッジを表すデータを生成することができる。これらのエッジの例は、図４にエッジ４３１ａ、４３２ａ、４３３ａ、４３４ａ、４３５ａ、４３６ａ、４３７ａ、４３２ｂ、４４１ａ、４４２ａ、４４３ａ、４４４ａとして示されている。

この例では、ヌクレオチド４２０の配列はリードと呼ばれる。しかしながら、いくつかの実装形態では、ヌクレオチド４２０の配列がコンティグ又はリードの一部であるように、低品質の塩基除去が起こり得る。そのような実装形態では、ペアのノードをリンクするグラフエッジは、特定のコンティグ内の１つ以上のリンクの経路のみを作成し、第１のコンティグのＫ－ｍｅｒノードから第２のコンティグのＫ－ｍｅｒノードへの経路は作成しない。コンティグは、低品質の塩基が除去された後に生じるヌクレオチドの配列を含み得る。

逆伝播ユニット

ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０は、逆伝播ユニット１３４を含むことができる。ただし、制御マシン１４０は、特定の実装形態では逆伝播ユニット１３４を起動及び構成するだけでよい。例えば、制御マシン１４０は、生グラフデータの現在のセットによって生成されているＫ－ｍｅｒグラフが後にシーケンスグラフに変換されると制御マシン１４０が判定したときに、逆伝播ユニット１３４を起動することができる。起動されると、逆伝播モジュール１３４は、制御マシン１４０からグラフ記述データを受信することができる。そのような実装形態では、グラフエッジ重みの調整は、シーケンスグラフによって継承される場合に、重みをより信頼性の高いものにすることができる。

グラフエッジユニット１３３は、キャッシュ１５０内の対応するＫ－ｍｅｒノードを識別し、Ｋ－ｍｅｒノードをリンクするエッジを生成し、次いでそれぞれの生成に対してエッジの重み＋１を増分することによって、コンティグのＫ－ｍｅｒノードの間にエッジを構築することができる。いくつかの実装形態では、コンティグのＫ－ｍｅｒノードがＫ－ｍｅｒグラフに追加され、グラフエッジユニット１３４を使用して重み付けされた後、逆伝播ユニット１３４を使用して、Ｋ－ｍｅｒグラフのコンティグの開始ノードのグラフエッジ「左」の線形チェーンを介して、＋１個のエッジ重みの増分をｋ－１段階逆伝播することができる。この場合、Ｋ－ｍｅｒグラフにおけるコンティグの開始ノードの「左」は、Ｋ－ｍｅｒグラフの有向エッジに対向するＫ－ｍｅｒグラフの方向である。この概念を説明すると、Ｄｅ Ｂｒｕｉｊｎグラフ４００内のノード４３４の「左」は、ノード４３３、４３２、及び４３１である。

例えば、いくつかの実装形態では、逆伝播モジュール１３４は、ハッシュテーブルキャッシュ内で、そのＫ－ｍｅｒノード、対応するグラフエッジなどを含むＫ－ｍｅｒグラフを表すデータにアクセスし、次いで、新しいコンティグの開始前に発生するＫ－１ノードのエッジ重みを調整することができる。逆伝播ユニット１３５は、この情報を記憶するキャッシュ位置へのポインタを含む制御マシン１６０から受信したグラフ記述データに基づいて調整する適切なＫ－ｍｅｒノード及びエッジを見つけることができる。グラフ記述データは、逆伝播中に発生する任意の変更によって更新され得る。

いくつかの実装形態では、Ｎベースのコンティグは一連の（Ｎ－Ｋ）エッジ重みを増分するだけでよいため、前述の逆伝播を実行する上で有利であり得る。しかしながら、このＫ－ｍｅｒグラフがこのコンティグに対応する（Ｎ－１）個の内部エッジを有するシーケンスグラフに後で変換される場合、第１の（Ｋ－１）個のエッジ重みは適切に増分されたエッジ重みを継承しない。前述の逆伝播は、この問題のほとんどの事例に対処する。したがって、Ｋ－ｍｅｒグラフがシーケンスグラフに変換されるときに、継承されたエッジ重みの信頼性を高めるために、逆伝播を使用してこの問題に対処することができる。

サイクルユニット

ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０は、サイクルユニット１３５を含むことができる。いくつかの実装形態では、サイクルユニット１３５は、制御マシン１４０によって起動及び構成されて、Ｋ－ｍｅｒグラフのインスタンスにおけるサイクルを検出することができる。例えば、サイクルユニット１３５は、入力ユニット１３１、グラフノードユニット１３２、グラフエッジユニット１３３、及び逆伝播ユニット１３４のうちの１つ以上によって生成されたＫ－ｍｅｒグラフのインスタンスの生グラフデータのＫ－ｍｅｒノード及びＫ－ｍｅｒエッジを評価することができる。サイクルユニット１３５は、制御マシン１４０からグラフ記述データを受信するように構成される。サイクルユニット１３５は、削除のためにヘッドノードに反復的にフラグを立てることができる。ヘッドノードは、いかなるインエッジも含まないノードを含み得る。ここで、インエッジは、第１のノードからその第１のノード自体を指すエッジである。各先頭ノードに削除のフラグが立てられた後、サイクルユニット１３５は、アウトエッジが指し示すノードが、削除されたノードの結果としてヘッドノードになったか否かを判定することができる。そのようなノードが判定された場合、それらは削除のためにフラグが立てられる。アウトエッジは、第１のノードから別のノードを指すグラフエッジである。サイクルユニット１３５は、ヘッドノードがなくなるまで、このプロセスの実行を継続することができる。

ヘッドノードが残っていないと判定されると、サイクルユニット１３５は、グラフが空であるか否かを判定することができ、空のグラフは、グラフのすべてのノードに削除のフラグが立てられていることを意味する。ヘッドレスグラフが空の場合、サイクルはなかったことになる。あるいは、ヘッドレスグラフが空でない場合、グラフはサイクルを含んでいるはずである。サイクルは、サイクル外のノードを削除することによってサイクル内のどのノードもヘッドノードにならないので、この種の削除に耐性がある。

これらの判定のいずれかを行うと、サイクルユニット１３５は、サイクルが検出されたか否かに関する指示を制御マシン１４０に提供することができる。次に、サイクルユニット１３５から提供された指示に基づいて、制御マシン１４０は、どのハードウェアロジックユニットを次に起動及び構成すべきかを決定することができる。例えば、サイクルが検出され、Ｋ－ｍｅｒグラフのインスタンスの生成が中断されるべきである場合、制御マシン１４０は、消去ユニット１３８を起動及び構成することができる。そのような場合、消去ユニットは、中断されたＫ－ｍｅｒグラフのインスタンスに対応する生グラフデータをキャッシュ１５０及びＤＲＡＭ１６０から削除することができる。あるいは、Ｋ－ｍｅｒグラフのインスタンスの生成を続行する場合、制御マシン１４０は、別のハードウェアロジックユニットを起動及び構成して、生グラフデータに基づく後続の演算を実行し、Ｋ－ｍｅｒグラフのインスタンスを生成することができる。例えば、Ｋ－ｍｅｒグラフの生成を継続する場合、制御マシン１４０は、プルーニングユニット１３６又はグラフ出力ユニット１３７のいずれかを起動及び構成することができる。

サイクルユニット１３５は、ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０によって、生成されているＫ－ｍｅｒグラフのインスタンスにおけるサイクルを検出するために使用され得るが、サイクルユニット１３５は、逆伝播ユニット１３４と同様に選択的に起動及び構成され得る。これは、ある種のＫ－ｍｅｒグラフがサイクルを含み得ることが予測できるからである。しかしながら、特定のタイプのＫ－ｍｅｒグラフについては、サイクルを有するグラフを有しないことが有益であり得る。したがって、ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０は、例えば、制御マシン１４０が、サイクルユニット１３５をグラフの特定のインスタンスに対して実行すべきか否かを示す入力を受信するように構成することができる。

プルーニングユニット

ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０は、プルーニングユニット１３５を含むことができる。プルーニングユニット１３６は、逆伝播ユニット１３４及びサイクルユニット１３５と同様に、制御マシン１６０によって選択的に起動及び構成され得る。起動及び構成された場合、プルーニングユニット１３５は、ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０によってこの時点までに生成されたＫ－ｍｅｒグラフのインスタンスについて生グラフデータ内の各グラフエッジの重みを評価することができる。いくつかの実装形態では、プルーニングユニット１３６が、グラフエッジの重み値が所定の閾値を満たさないと判定した場合、プルーニングユニット１３６は、グラフエッジ、及びその特定されたグラフエッジの後に発生する任意のＫ－ｍｅｒノードを削除することができる。あるいは、プルーニングユニット１３６がグラフエッジの重み値が所定の閾値を満たすと判定した場合、プルーニングユニット１３６はそのグラフエッジをそのまま残す。

他の実装形態では、プルーニングユニット１３６は、線形チェーンを識別することができ、線形チェーンは、開始ノードと終了ノードとの間のすべての内部ノードが正確に１つのインエッジ及び１つのアウトエッジを有するグラフを通る最大経路である。そのような実装形態では、プルーニングユニット１３６は、線形チェーンのすべての内部エッジがプルーニング閾値を満たさないかどうかを判定することができる。そのようなシナリオが発生した場合、プルーニングユニット１３６は、チェーンの開始ノード及び／又は終了ノードを除いて、すべての内部エッジ及びすべての内部ノードを含む線形チェーン全体を削除することができ、それらが非内部エッジを有する場合、プルーニングユニット１３６は保持することができる。

グラフ出力ユニット

ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０は、グラフ出力ユニット１３７を含むことができる。ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０は、Ｋ－ｍｅｒグラフのインスタンスがグラフ記述データ及びキャッシュデータによって記述されるときに、グラフ出力ユニット１３７を使用して、Ｋ－ｍｅｒグラフのインスタンスの最終バージョン１７０を生成することができる。例えば、グラフ出力ユニット１３７は、例えば、Ｋ－ｍｅｒグラフデータを記憶するハッシュテーブルキャッシュ内の位置へのポインタを含むグラフ記述データを用いて、ハッシュテーブルキャッシュ１５０からＫ－ｍｅｒグラフを表すデータを取得することができる。そして、グラフ出力ユニット１３７は、Ｋ－ｍｅｒグラフ１７０の最終バージョンを記述したハッシュテーブルキャッシュ１５０から得られたデータを、バリアントコールユニット１８０に提供することができる。バリアントコールユニット１８０は、Ｋ－ｍｅｒグラフ１７０の最終バージョンに基づいてバリアントコール分析を実行して、バリアント１９０のセットを生成することができる。バリアント１９０のセットは、１つ以上の候補バリアントを含み得る。バリアントは、生物のゲノムデータの変化である。候補バリアントは、Ｋ－ｍｅｒグラフ１７０の処理に基づいてバリアントコールユニットによって推論される、バリアントコールユニットによる判定のことである。いくつかの実装形態では、候補バリアントは、バリアント判定において閾値レベルの誤差を有する場合がある。

バリアントコールユニット１８０は、Ｋ－ｍｅｒグラフ１８０を処理することにより、候補バリアントを識別することができる。いくつかの実装形態では、例えば、バリアントコールユニット１８０は、リードのパイルアップ中の塩基呼び出し又はヌクレオチド１つ以上のリードと、参照ゲノムの特定の位置における参照ゲノムのヌクレオチドとが異なるときに候補バリアントを識別することができる。バリアント１９０のセットを記述するデータは、様々な方法で生成又は決定することができる。例えば、いくつかの実装形態では、バリアントコールの演算は、例えば、その各々の全内容が参照によりその全体として本明細書に組み込まれる、米国特許出願公開第２０１６／０１８００１９号、同第２０１６／０３０６９２２号、及び同第２０１９／０２５９４６８号により詳細に記載されているように実行することができる。バリアント１９０のセットを記述するデータは、出力のために様々な方法で提供することができる。例えば、バリアント１９０のセットを記述するデータは、核酸シーケンサー１１０のディスプレイ上に表示することができ、異なるコンピュータのディスプレイ上に表示することができ、コンピューティングデバイスの１つ以上のスピーカを介して聴覚的に出力することができ、プリンタを介して出力することができ、又はそれらの任意の組み合わせが可能である。

消去ユニット

消去ユニット１３８は、ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０によるＫ－ｍｅｒグラフのインスタンスの完了及び出力時にメモリ再生タスクを実行するために使用され得る。例えば、消去ユニットは、ハードウェア加速グラフ生成ユニット１３０によって完成されて出力されるＫ－ｍｅｒグラフの特定のインスタンスに関連するすべての生グラフデータを削除することができる。これに代えて、あるいはこれに加えて、消去ユニット１３８は、制御マシンによって記憶されているグラフィックユニット１３０の特定のインスタンスに関連するすべてのデータを削除したり、ＤＲＡＭ１６０に記憶されているグラフィックユニット１３０の特定のインスタンスに関連するすべてのデータを削除したりすることなどができる。これにより、消去ユニット１３８は、ハッシュテーブルキャッシュから、Ｋ－ｍｅｒグラフのグラフノードを表すデータ及びグラフエッジを表すデータを選択的に削除することができる。このような削除は、キャッシュ、制御マシン、又はＤＲＡＭの内容の一部のみを削除する必要があるため、選択的である。更に、グラフがハッシュテーブルとして記憶される場合、ハッシュテーブルはまばらに入力されることが多く、消去ユニット１３８がハッシュテーブル全体を消去するよりも占有されたハッシュテーブルエントリのみを選択的に消去する方が速く、これにより性能が向上する。

ただし、いくつかの実装形態では、グラフに関連付けられた非ハッシュテーブルデータは、項目ごとに消去する必要はない。そのような実装形態では、消去ユニット１３８は、グラフ記述データにおいてリスト長をゼロに設定したり、コンテンツを消去することなく、割り当てられたメモリ空間を再使用のために単に解放したりすることができる。

図２は、Ｋ－ｍｅｒグラフのハードウェア加速生成のためのプロセス２００の一例のフローチャートである。一般に、プロセス２００は、第１の核酸配列セットを取得することであって、第１の核酸配列セットが、（ｉ）参照配列の活性領域に対応する複数のリード及び（ｉｉ）参照配列の一部を含む、第１の核酸配列セットを取得すること（２１０）と、取得された第１の核酸配列セットを使用し、プログラマブルロジックデバイスの複数の非パイプラインハードウェアロジックユニットを使用してＫ－ｍｅｒグラフを生成することであって、各ハードウェアロジックユニットが１つ以上の演算を実行するように構成された異なるハードウェアロジック回路を備え、Ｋ－ｍｅｒグラフの各ノードがＫ－ｍｅｒを表し、グラフの各エッジがＫ－ｍｅｒのペアの間のリンクを表し、Ｋ－ｍｅｒグラフの各エッジの各重みがＫ－ｍｅｒのペアによって表されるＫ－ｍｅｒ配列の出現回数を表す、Ｋ－ｍｅｒグラフを生成すること（２２０）と、Ｋ－ｍｅｒグラフの生成中に、制御マシンを用いて、Ｋ－ｍｅｒグラフの少なくとも一部を生成するために使用される各ハードウェアロジックユニットによる１つ以上の演算の実行後にＫ－ｍｅｒグラフのグラフ記述データを定期的に更新することであって、グラフ記述データが（ｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ識別子及び（ｉｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ状態情報を表し、制御マシンが、Ｋ－ｍｅｒグラフの生成中に各それぞれのハードウェアロジックユニットの１つ以上の演算の実行をトリガすることによって、非パイプラインハードウェアロジックユニットを使用して演算のワークフローを作成する、グラフ記述データを定期的に更新すること（２３０）と、Ｋ－ｍｅｒグラフをバリアントコールモジュールに提供することであって、バリアントコールユニットがＫ－ｍｅｒグラフを処理して、複数のリードのうちの１つ以上と参照配列との間の１つ以上の候補バリアントを決定する、Ｋ－ｍｅｒグラフをバリアントコールモジュールに提供することと、を含み得る。

図３は、Ｋ－ｍｅｒグラフのハードウェア加速生成のためのプロセス３００の別の例のフローチャートである。一般に、プロセス３００は、第１の核酸配列セットを取得することであって、第１の核酸配列セットが、（ｉ）参照配列の活性領域に対応する複数のリード及び（ｉｉ）参照配列の一部を含む、第１の核酸配列セットを取得すること（３１０）と、第１の核酸配列セットの各特定の核酸配列について、ハッシュテーブルキャッシュに記憶するために、かつ第１のハードウェアロジックユニットによって、特定の核酸配列の各Ｋ－ｍｅｒについてのグラフノードを表すデータを生成すること（３２０）と、制御マシンによって、第１のハードウェアロジックユニットが特定の核酸配列の各Ｋ－ｍｅｒについてのグラフノードの生成を完了したことを検出すること（３３０）、制御マシンによって、生成されたグラフノードについてグラフエッジ生成を実行するように第２のハードウェアロジックユニットを構成すること（３４０）と、生成されたグラフノードの１つ以上のペアについて、第２のハードウェアロジックユニットによって、かつグラフハッシュテーブルに記憶するために、第１のハードウェアロジックユニットによって生成された、生成されたグラフノードの１つ以上のペアの相互間のグラフエッジを表すデータを生成することであって、ハッシュテーブルキャッシュに記憶された各Ｋ－ｍｅｒについてのグラフノードを表すデータ及びハッシュテーブルキャッシュに記憶されたグラフエッジを表すデータが、第１の核酸配列セットのＫ－ｍｅｒグラフを表す、グラフエッジを表すデータを生成すること（３５０）と、を含み得る。

図４は、Ｋ－ｍｅｒグラフ４００の一例である。この例において、Ｋ－ｍｅｒグラフ４００は、参照ゲノム４１０及びリード４２０の少なくとも一部に基づいて生成される。この例では、Ｋ－ｍｅｒグラフ４００は、Ｄｅ Ｂｒｕｉｊｎグラフである。

Ｋ－ｍｅｒグラフ４００は、複数のノードと、ノードのペアの間の１つ以上のエッジとを用いて生成される。各ノードは長さｋのＫ－ｍｅｒを表し、この例ではｋ＝４である。各エッジは、エッジによってリンクされたＫ－ｍｅｒのｋ－１のヌクレオチドの重複があるという指摘を提供する。Ｋ－ｍｅｒグラフ４００において、経路４３０は、参照配列４１０の部分の各Ｋ－ｍｅｒを表す複数のノード及びエッジを含む。次いで、経路４４０は、参照ゲノム４１０の部分とは異なるリード４２０の部分を表す複数のノード及びエッジを含む。

図５は、ハードウェア加速Ｋ－ｍｅｒグラフに使用することができるシステム５００の構成要素の一例のブロック図である。

コンピューティングデバイス５００は、ラップトップ、デスクトップ、ワークステーション、パーソナルデジタルアシスタント、サーバ、ブレードサーバ、メインフレーム、及び他の適切なコンピュータなどの様々な形態のデジタルコンピュータを表すことが意図されている。コンピューティングデバイス５５０は、パーソナルデジタルアシスタント、携帯電話（cellular telephone）、スマートフォン、及び他の同様のコンピューティングデバイスなどの様々な形態のモバイルデバイスを表すことが意図されている。これに加えて、コンピューティングデバイス５００又は５５０は、ユニバーサルシリアルバス（Universal Serial Bus、ＵＳＢ）フラッシュドライブを含むことができる。ＵＳＢフラッシュドライブは、オペレーティングシステム及び他のアプリケーションを記憶することができる。ＵＳＢフラッシュドライブは、別のコンピューティングデバイスのＵＳＢポートに挿入できる無線送信機又はＵＳＢコネクタなどの入力／出力構成要素を含むことができる。本明細書に示される構成要素、この構成要素の接続及び関係、並びにこの構成要素の機能は、単なる例であることを意味し、本文書に記載及び／又は特許請求される発明の実装形態を限定することを意味するものではない。

コンピューティングデバイス５００は、プロセッサ５０２、メモリ５０４、記憶デバイス５０６、メモリ５０４及び高速拡張ポート５１０に接続する高速インターフェース５０８、並びに低速バス５１４及び記憶デバイス５０６に接続する低速インターフェース５１２を含む。構成要素５０２、５０４、５０６、５０８、５１０、及び５１２の各々は、様々なバスを使用して相互接続されており、共通のマザーボード上に、又は適宜他の手法で実装できる。プロセッサ５０２は、メモリ５０４又は記憶デバイス５０８上に記憶された命令を含むコンピューティングデバイス５００内での実行のための命令を処理して、高速インターフェース５０６に結合されたディスプレイ５１６などの外部入力／出力デバイス上のＧＵＩに関するグラフィカル情報を表示することができる。他の実装形態では、複数のプロセッサ及び／又は複数のバスを、適宜、複数のメモリ及び複数種類のメモリと共に使用できる。また、複数のコンピューティングデバイス５００を接続して、各デバイスが、例えば、サーババンク、ブレードサーバ群、又はマルチプロセッサシステムとして、必要な演算の部分を提供するようにすることができる。

メモリ５０４は、コンピューティングデバイス５００内に情報を記憶する。一実装形態では、メモリ５０４は、揮発性メモリユニット又は複数の揮発性メモリユニットである。別の実装形態では、メモリ５０４は、不揮発性メモリユニット又は複数の不揮発性メモリユニットである。メモリ５０４を、磁気ディスク又は光ディスクなどの別の形態のコンピュータ可読媒体とすることもできる。

記憶デバイス５０６は、コンピューティングデバイス５００のための大規模ストレージを提供することができる。一実装形態では、記憶デバイス５０６は、フロッピーディスクデバイス、ハードディスクデバイス、光ディスクデバイス、若しくはテープデバイス、フラッシュメモリ若しくは他の類似のソリッドステートメモリデバイス、又はストレージエリアネットワーク若しくは他の構成内のデバイスを含むデバイスのアレイなどのコンピュータ可読媒体であり得るか、又はそれを内包することができる。コンピュータプログラム製品は、情報キャリア内に、有形に実施できる。コンピュータプログラム製品はまた、実行されると、上述したものなどの１つ以上の方法を実行する命令を内包することができる。情報キャリアは、メモリ５０４、記憶デバイス５０６、又はプロセッサ５０２上のメモリなどのコンピュータ可読媒体又はマシン可読媒体である。

高速コントローラ５０８は、コンピューティングデバイス５００の帯域幅集約演算を管理する一方、低速コントローラ５１２は、低帯域幅集約演算を管理する。このような機能の割り当ては、一実施例に過ぎない。一実装形態では、高速コントローラ５０８は、例えば、グラフィックプロセッサ又はアクセラレータを介してメモリ５０４、ディスプレイ５１６に、及び様々な拡張カード（図示せず）を受け入れることができる高速拡張ポート５１０に結合されている。この実装形態では、低速コントローラ５１２は、記憶デバイス５０６及び低速拡張ポート５１４に結合されている。様々な通信ポート、例えば、ＵＳＢ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ、無線Ｅｔｈｅｒｎｅｔを含むことができる低速拡張ポートは、例えば、ネットワークアダプタを介して、キーボード、ポインティングデバイス、マイクロフォン／スピーカペア、スキャナ、又はスイッチ若しくはルータなどのネットワーキングデバイスなどの１つ以上の入力／出力デバイスに結合できる。コンピューティングデバイス５００は、図に示されるように、いくつかの異なる形態で実装できる。例えば、コンピューティングデバイスは標準サーバ５２０として実装することができ、又はかかるサーバ群において複数回実装することができる。コンピューティングデバイスはまた、ラックサーバシステム５２４の一部として実装できる。加えて、コンピューティングデバイスは、ラップトップコンピュータ５２２などのパーソナルコンピュータに実装できる。これに代えて、コンピューティングデバイス５００からの構成要素を、デバイス５５０などのモバイルデバイス（図示せず）内の他の構成要素と組み合わせることができる。このようなデバイスの各々は、コンピューティングデバイス５００、５５０のうちの１つ以上を内包することができ、システム全体を、互いに通信する複数のコンピューティングデバイス５００、５５０から構成することができる。

コンピューティングデバイス５００は、図に示されるように、いくつかの異なる形態で実装できる。例えば、コンピューティングデバイスは標準サーバ５２０として実装することができ、又はかかるサーバ群において複数回実装することができる。コンピューティングデバイスはまた、ラックサーバシステム５２４の一部として実装できる。加えて、コンピューティングデバイスは、ラップトップコンピュータ５２２などのパーソナルコンピュータに実装できる。これに代えて、コンピューティングデバイス５００からの構成要素を、デバイス５５０などのモバイルデバイス（図示せず）内の他の構成要素と組み合わせることができる。このようなデバイスの各々は、コンピューティングデバイス５００、５５０のうちの１つ以上を内包することができ、システム全体を、互いに通信する複数のコンピューティングデバイス５００、５５０から構成することができる。

コンピューティングデバイス５５０は、構成要素の中でもとりわけ、プロセッサ５５２、メモリ５６４、並びにディスプレイ５５４、通信インターフェース５６６、及び送受信機５６８などの入出力デバイスを含む。デバイス５５０はまた、追加のストレージを提供するために、マイクロドライブ又は他のデバイスなどの記憶デバイスを備えることができる。構成要素５５０、５５２、５６４、５５４、５６６、及び５６８の各々は、様々なバスを使用して相互接続されており、構成要素はのうちのいくつかは、共通のマザーボード上に、又は適宜他の手法で実装できる。

プロセッサ５５２は、メモリ５６４に記憶された命令を含む、コンピューティングデバイス５５０内の命令を実行することができる。プロセッサは、別個及び複数のアナログ及びデジタルプロセッサを含むチップのチップセットとして実装できる。これに加えて、プロセッサは、いくつかのアーキテクチャのうちのいずれかを使用して実装できる。例えば、プロセッサ５１０を、ＣＩＳＣ（Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｅｔ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ、複合命令セットコンピュータ）プロセッサ、ＲＩＳＣ（Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｅｔ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ、縮小命令セットコンピュータ）プロセッサ、又はＭＩＳＣ（Ｍｉｎｉｍａｌ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｅｔ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ、最小命令セットコンピュータ）プロセッサとすることができる。プロセッサは、例えば、ユーザインターフェースの制御、デバイス５５０によって実行されるアプリケーション、及びデバイス５５０による無線通信など、デバイス５５０の他の構成要素の協調を提供することができる。

プロセッサ５５２は、制御インターフェース５５８とディスプレイ５５４に結合されたディスプレイインターフェース５５６とを介してユーザと通信することができる。ディスプレイ５５４を、例えば、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ－Ｆｉｌｍ－Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ、薄膜トランジスタ液晶ディスプレイ）ディスプレイ、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、有機発光ダイオード）ディスプレイ、又は他の適切なディスプレイ技術とすることができる。ディスプレイインターフェース５５６は、ディスプレイ５５４を駆動してグラフィカル情報及び他の情報をユーザに提示するための適切な回路を備えることができる。制御インターフェース５５８は、ユーザからコマンドを受信し、このコマンドをプロセッサ５５２へのサブミット用に変換することができる。加えて、デバイス５５０と他のデバイスとの近接領域通信を可能にするために、プロセッサ５５２と通信する外部インターフェース５６２を提供することができる。外部インターフェース５６２は、例えば、いくつかの実装形態では有線通信を、又は他の実装形態では無線通信を提供することができ、複数のインターフェースを使用することもできる。

メモリ５６４は、コンピューティングデバイス５５０内に情報を記憶する。メモリ５６４は、コンピュータ可読媒体若しくは複数のコンピュータ可読媒体、揮発性メモリユニット若しくは複数の揮発性メモリユニット、又は不揮発性メモリユニット若しくは複数の不揮発性メモリユニットのうちの１つ以上として実装することができる。また、例えばＳＩＭＭ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｉｎ Ｌｉｎｅ Ｍｅｍｏｒｙ Ｍｏｄｕｌｅ、シングルインラインメモリモジュール）カードインターフェースを含むことができる、拡張インターフェース５７２を介して、デバイス５５０に拡張メモリ５７４を提供及び接続することができる。このような拡張メモリ５７４は、デバイス５５０のための増設記憶空間を提供することができるか、又は、デバイス５５０のためのアプリケーション若しくは他の情報を記憶することもできる。具体的には、拡張メモリ５７４は、上述したプロセスを実行又は補完する命令を含むことができ、セキュアな情報を含むこともできる。したがって、例えば、拡張メモリ５７４は、デバイス５５０のためのセキュリティモジュールとして提供でき、デバイス５５０のセキュアな使用を可能にする命令を用いてプログラムできる。加えて、セキュアなアプリケーションは、ＳＩＭＭカードを介して、ハッキング不能な手法でＳＩＭＭカード上に識別情報を配置するなど、追加情報と共に提供できる。

メモリは、例えば、後述するように、フラッシュメモリ及び／又はＮＶＲＡＭメモリを含むことができる。一実装形態では、コンピュータプログラム製品は、情報キャリア内で有形に実施される。コンピュータプログラム製品は、実行されると、上述したものなどの１つ以上の方法を実行する命令を内包する。情報キャリアは、例えば送受信機５６８又は外部インターフェース５６２を介して受信できるメモリ５６４、拡張メモリ５７４又はプロセッサ５５２上のメモリなどの、コンピュータ可読媒体又はマシン可読媒体である。

デバイス５５０は、必要に応じてデジタル信号処理回路を含むことができる通信インターフェース５６６を介して無線通信することができる。通信インターフェース５６６は、とりわけＧＳＭ音声通話、ＳＭＳ、ＥＭＳ、又はＭＭＳメッセージング、ＣＤＭＡ、ＴＤＭＡ、ＰＤＣ、ＷＣＤＭＡ（登録商標）、ＣＤＭＡ２０００、又はＧＰＲＳなどの様々なモード又はプロトコル下での通信を提供することができる。このような通信は、例えば、高周波送受信機５６８を介して行われることが可能である。加えて、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、Ｗｉ－Ｆｉ、又は他のこのような送受信機（図示せず）を使用するなど、短距離通信が行われることが可能である。加えて、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ、全地球測位システム）受信機モジュール５７０が、デバイス５５０に追加のナビゲーション関連及び位置関連の無線データを提供することができ、デバイス５５０上で作動するアプリケーションによって適宜使用できる。

デバイス５５０はまた、オーディオコーデック５６０を使用して可聴的に通信することができ、オーディオコーデック５６０は、ユーザから発話情報を受信し、この発話情報を使用可能なデジタル情報に変換することができる。オーディオコーデック５６０は同じく、例えばデバイス５５０のハンドセット内の、スピーカを介してなど、ユーザのための可聴音を生成することができる。このような音は、音声電話通話からの音を含むことができ、録音された音、例えば、音声メッセージ、音楽ファイルなどを含むことができ、また、デバイス５５０上で動作するアプリケーションによって生成される音を含むこともできる。

コンピューティングデバイス５５０は、図に示されるように、いくつかの異なる形態で実装できる。例えば、コンピューティングデバイスは、携帯電話５８０として実装できる。また、コンピューティングデバイスを、スマートフォン５８２、パーソナルデジタルアシスタント、又は他の同様のモバイルデバイスの一部として実装することもできる。

本明細書に記載されるシステム及び方法の様々な実装形態は、デジタル電子回路、集積回路、専用に設計されたＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）、コンピュータハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、及び／又はこのような実装形態の組み合わせで実現できる。これらの様々な実装形態は、専用又は汎用であり、記憶システム、少なくとも１つの入力デバイス、及び少なくとも１つの出力デバイスからデータ及び命令を受信し、かつこれらにデータ及び命令を送信するように結合された少なくとも１つのプログラム可能なプロセッサを含むプログラム可能なシステム上で実行可能及び／又は解釈可能である１つ以上のコンピュータプログラムでの実装形態を含むことができる。

これらのコンピュータプログラム（プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、又はコードとしても知られている）は、プログラム可能なプロセッサのためのマシン命令を含み、高水準手続き型及び／又はオブジェクト指向プログラミング言語で、及び／又はアセンブリ／マシン言語で実装できる。本明細書で使用されるとき、用語「マシン可読媒体」「コンピュータ可読媒体」は、任意のコンピュータプログラム製品、装置、及び／又はデバイス、例えば、磁気ディスク、光ディスク、メモリ、マシン命令及び／又はデータをプログラム可能なプロセッサに提供するために使用されるプログラマブルロジックデバイス（Programmable Logic Device、ＰＬＤ）を指し、マシン可読信号としてマシン命令を受信するマシン可読媒体を含む。用語「マシン可読信号」は、プログラム可能なプロセッサにマシン命令及び／又はデータを提供するために使用される任意の信号を指す。

ユーザとのインタラクションを提供するために、本明細書に記載されるシステム及び技術は、ユーザに情報を表示するためのディスプレイデバイス、例えば、ＣＲＴ（ｃａｔｈｏｄｅ ｒａｙ ｔｕｂｅ、陰極線管）又はＬＣＤ（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ、液晶ディスプレイ）モニタ、並びにユーザがコンピュータに入力を提供することができるキーボード及びポインティング装置、例えばマウス又はトラックボールを有するコンピュータ上に実装することができる。他の種類のデバイスを使用して、ユーザとのインタラクションを提供することもでき、例えば、ユーザに提供されるフィードバックは、任意の形態の感覚フィードバック、例えば、視覚フィードバック、聴覚フィードバック、又は触覚フィードバックとすることができ、ユーザからの入力は、音響入力、発話入力、又は触覚入力を含む任意の形態で受信することができる。

本明細書に記載されるシステム及び技術は、例えばデータサーバとしての、バックエンド構成要素を含むコンピューティングシステムで、又はミドルウェアコンポーネント、例えば、アプリケーションサーバを含むコンピューティングシステムで、又はフロントエンド構成要素、例えばユーザが介して本明細書に記載されるシステム及び技術の実装形態とインタラクトすることができるグラフィカルユーザインターフェース又はウェブブラウザを有するクライアントコンピュータを含むコンピューティングシステムで、又はこのようなバックエンド、ミドルウェア、又はフロントエンドの構成要素の任意の組み合わせで、実装できる。システムの構成要素は、デジタルデータ通信、例えば通信ネットワークの任意の形態又は媒体によって相互接続できる。通信ネットワークの例として、ローカルエリアネットワーク（「ＬＡＮ」）、広域ネットワーク（「ＷＡＮ」）、及びインターネットが挙げられる。

コンピューティングシステムは、クライアント及びサーバを含むことができる。クライアント及びサーバは一般に、互いにリモートであり、通常、通信ネットワークを介してインタラクトする。クライアントとサーバとの関係は、それぞれのコンピュータ上で作動し、かつ互いにクライアント－サーバ関係を有するコンピュータプログラムによって生じる。

他の実施形態

いくつかの実施形態が記載された。それにもかかわらず、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができることが理解されるであろう。加えて、図に描示される論理フローは、所望の結果を達成するために、示される特定の順序、又は連続的な順序を必要としない。加えて、記載されたフローから他の工程を提供することができ、又は工程を排除することができ、記載されたシステムに他の構成要素を追加するか、又はそこから除去することができる。したがって、他の実施形態は、以下の特許請求の範囲内にある。

１００ システム
１１０ 核酸シーケンサー
１２０ 参照配列データベース
１３０ ハードウェア加速グラフ生成ユニット
１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６、１３７、１３８ ハードウェアロジックユニット
１４０ 制御マシン
１５０ グラフハッシュテーブルキャッシュ
１６０ ＤＲＡＭ
１７０ Ｋ－ｍｅｒグラフ
１８０ バリアントコールユニット

Claims (48)

1. プログラマブルロジックデバイスを使用するＫ－ｍｅｒグラフのハードウェア加速生成のための方法であって、
   第１の核酸配列セットを取得することであって、前記第１の核酸配列セットが、（ｉ）参照配列の活性領域に対応する複数のリード及び（ｉｉ）前記参照配列の一部を含む、前記第１の核酸配列セットを取得することと、
   プログラマブルロジックデバイスの複数の非パイプラインハードウェアロジックユニットを使用し、前記取得された第１の核酸配列セットを使用してＫ－ｍｅｒグラフを生成することであって、各ハードウェアロジックユニットが１つ以上の演算を実行するように構成された異なるハードウェアロジック回路を備え、前記Ｋ－ｍｅｒグラフの各ノードがＫ－ｍｅｒを表し、前記Ｋ－ｍｅｒグラフの各エッジがＫ－ｍｅｒのペアの間のリンクを表し、前記Ｋ－ｍｅｒグラフの各エッジの各重みがＫ－ｍｅｒのペアによって表されるＫ－ｍｅｒ配列の出現回数を表す、前記Ｋ－ｍｅｒグラフを生成することと、
   前記Ｋ－ｍｅｒグラフの生成中に、
   制御マシンを用いて、前記Ｋ－ｍｅｒグラフの少なくとも一部を生成するために使用される各ハードウェアロジックユニットによる前記１つ以上の演算の実行後に前記Ｋ－ｍｅｒグラフのグラフ記述データを定期的に更新することであって、前記グラフ記述データが（ｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ識別子及び（ｉｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ状態情報を表し、前記制御マシンが、前記Ｋ－ｍｅｒグラフの生成中に各それぞれのハードウェアロジックユニットの前記１つ以上の演算の実行をトリガすることによって、前記非パイプラインハードウェアロジックユニットを使用して演算のワークフローを作成する、前記グラフ記述データを定期的に更新することと、を含む、方法。
2. 前記複数のハードウェアロジックユニットの各ハードウェアロジックユニットの出力が、ハッシュテーブルキャッシュを介して記憶される、請求項１に記載の方法。
3. 前記制御マシンが、前記プログラマブルロジックデバイスのハードウェアロジックユニットを使用して実装される、請求項１に記載の方法。
4. 前記制御マシンが、１つ以上のＣＰＵ又はＧＰＵを使用することによって実装されて前記制御マシンの機能を実現するためにソフトウェア命令を実行する、請求項１に記載の方法。
5. 前記演算が、
   前記生成されたＫ－ｍｅｒグラフをバリアントコールユニットに提供することを更に含み、前記バリアントコールユニットが、前記Ｋ－ｍｅｒグラフを処理して前記複数のリードのうちの１つ以上と前記参照配列との間の候補バリアントを決定する、請求項１に記載の方法。
6. ソフトウェア命令が、前記バリアントコールユニットの１つ以上の機能を実現するために１つ以上のＣＰＵ又はＧＰＵによって実行される、請求項５に記載の方法。
7. 前記プログラマブルロジックデバイスが、前記バリアントコールユニットの１つ以上の機能を加速するために使用される、請求項５に記載の方法。
8. 前記グラフ記述データが、（ｉｉｉ）前記Ｋ－ｍｅｒグラフに対してハードウェアロジックを実行した前記複数のハードウェアロジックユニットのうちの最後のハードウェアロジックユニット、又は前記Ｋ－ｍｅｒグラフ識別子に関連するパイルアップの核酸配列を表すデータを更に含む、請求項１に記載の方法。
9. プログラマブルロジックデバイスを使用するＫ－ｍｅｒグラフのハードウェア加速生成のためのシステムであって、
   演算を実行するように構成されたハードウェアデジタルロジック回路を含むハードウェア加速グラフ生成ユニットを備え、前記演算が、
   第１の核酸配列セットを取得することであって、前記第１の核酸配列セットが、（ｉ）参照配列の活性領域に対応する複数のリード及び（ｉｉ）前記参照配列の一部を含む、前記第１の核酸配列セットを取得することと、
   プログラマブルロジックデバイスの複数の非パイプラインハードウェアロジックユニットを使用し、前記取得された第１の核酸配列セットを使用してＫ－ｍｅｒグラフを生成することであって、各ハードウェアロジックユニットが１つ以上の演算を実行するように構成された異なるハードウェアロジック回路を備え、前記Ｋ－ｍｅｒグラフの各ノードがＫ－ｍｅｒを表し、前記Ｋ－ｍｅｒグラフの各エッジがＫ－ｍｅｒのペアの間のリンクを表し、前記Ｋ－ｍｅｒグラフの各エッジの各重みがＫ－ｍｅｒのペアによって表されるＫ－ｍｅｒ配列の出現回数を表す、前記Ｋ－ｍｅｒグラフを生成することと、
   前記Ｋ－ｍｅｒグラフの生成中に、
   制御マシンを用いて、前記Ｋ－ｍｅｒグラフの少なくとも一部を生成するために使用される各ハードウェアロジックユニットによる前記１つ以上の演算の実行後に前記Ｋ－ｍｅｒグラフのグラフ記述データを定期的に更新することであって、前記グラフ記述データが（ｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ識別子及び（ｉｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ状態情報を表し、前記制御マシンが、前記Ｋ－ｍｅｒグラフの生成中に各それぞれのハードウェアロジックユニットの前記１つ以上の演算の実行をトリガすることによって、前記非パイプラインハードウェアロジックユニットを使用して演算のワークフローを作成する、前記グラフ記述データを定期的に更新することと、を含む、システム。
10. 前記複数のハードウェアロジックユニットの各ハードウェアロジックユニットの出力が、ハッシュテーブルキャッシュを介して記憶される、請求項９に記載のシステム。
11. 前記演算が、
    前記生成されたＫ－ｍｅｒグラフをバリアントコールユニットに提供することを更に含み、前記バリアントコールユニットが、前記Ｋ－ｍｅｒグラフを処理して前記複数のリードのうちの１つ以上と前記参照配列との間の候補バリアントを決定するように構成されている、請求項９に記載のシステム。
12. 前記システムが、
    １つ以上のコンピュータと、
    前記１つ以上のコンピュータによって実行されると、前記１つ以上のコンピュータにバリアントコールユニットの第２の演算を実行させる命令を記憶する１つ以上のメモリデバイスとを更に備え、前記第２の演算が、
    前記バリアントコールユニットによって、前記生成されたＫ－ｍｅｒグラフを取得することと、
    前記生成されたＫ－ｍｅｒグラフを処理する前記バリアントコールユニットに基づいて、１つ以上の候補バリアントを識別することを含み、ここで、候補バリアントが、リードのパイルアップにおける１つ以上のリードの塩基呼び出しと、参照ゲノムの特定の位置における前記参照ゲノムのヌクレオチドとの間の差分である、請求項９に記載のシステム。
13. 前記演算が、
    バリアントコールユニットによって、前記生成されたＫ－ｍｅｒグラフを取得することと、
    前記生成されたＫ－ｍｅｒグラフを処理する前記バリアントコールユニットに基づいて、１つ以上の候補バリアントを識別することを更に含み、ここで、候補バリアントが、リードのパイルアップにおける１つ以上のリードの塩基呼び出しと、参照ゲノムの特定の位置における前記参照ゲノムのヌクレオチドとの間の差分である、請求項９に記載のシステム。
14. 前記グラフ記述データが、（ｉｉｉ）前記Ｋ－ｍｅｒグラフに対してハードウェアロジックを実行した前記複数のハードウェアロジックユニットのうちの最後のハードウェアロジックユニット、又は前記Ｋ－ｍｅｒグラフ識別子に関連するパイルアップの核酸配列を表すデータを更に含む、請求項９に記載のシステム。
15. プログラマブルロジックデバイスにおけるＫ－ｍｅｒグラフのハードウェア加速生成のための方法であって、
    第１の核酸配列セットを取得することであって、前記第１の核酸配列セットが、（ｉ）参照配列の活性領域に対応する複数のリード及び（ｉｉ）前記参照配列の一部を含む、前記第１の核酸配列セットを取得することと、
    前記第１の核酸配列セットの各特定の核酸配列について、
    ハッシュテーブルキャッシュに記憶するために、かつ第１のハードウェアロジックユニットによって、前記特定の核酸配列の各Ｋ－ｍｅｒについてのグラフノードを表すデータを生成することと、
    制御マシンによって、前記第１のハードウェアロジックユニットが前記特定の核酸配列の各Ｋ－ｍｅｒについてのグラフノードの生成を完了したことを検出することと、
    前記制御マシンによって、前記生成されたグラフノードのグラフエッジの生成を実行するように第２のハードウェアロジックユニットを構成することと、
    前記生成されたグラフノードの１つ以上のペアについて、
    前記第２のハードウェアロジックユニットによって、かつグラフハッシュテーブルに記憶するために、前記第１のハードウェアロジックユニットによって生成された、前記生成されたグラフノードの１つ以上のペアの相互間のグラフエッジを表すデータを生成することであって、前記ハッシュテーブルキャッシュに記憶された各Ｋ－ｍｅｒについての前記グラフノードを表す前記データ及び前記ハッシュテーブルキャッシュに記憶されたグラフエッジを表す前記データが、前記第１の核酸配列セットのＫ－ｍｅｒグラフを表す、前記グラフエッジを表すデータを生成することと、を含む、方法。
16. 前記方法が、
    前記制御マシンによって、かつ前記制御マシンがアクセス可能なメモリユニットに、前記Ｋ－ｍｅｒグラフのインスタンスのグラフ記述データを定期的に記憶することであって、前記グラフ記述データが（ｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ識別子及び（ｉｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ状態情報を表す、前記グラフ記述データを定期的に記憶することを更に含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記第１のハードウェアロジックユニットが、
    前記特定の核酸配列の特定のＫ－ｍｅｒのうちの１つ以上が前記特定の核酸配列の別のＫ－ｍｅｒと一致するかどうかを判定し、
    前記特定の核酸配列の前記１つ以上の特定のＫ－ｍｅｒが前記特定の核酸配列の別のＫ－ｍｅｒと一致するという判定に基づいて、前記１つ以上の特定のＫ－ｍｅｒを非一意的なＫ－ｍｅｒとしてマークするデータを記憶するように更に構成されている、請求項１５に記載の方法。
18. 前記第２のハードウェアロジックが、
    前記Ｋ－ｍｅｒグラフの各エッジにエッジ重みを割り当てるように更に構成されている、請求項１５に記載の方法。
19. 前記方法が、
    前記プログラマブルロジックデバイスの第３のハードウェアロジックユニットに、
    前記ハッシュテーブルキャッシュから前記Ｋ－ｍｅｒグラフを表すデータを取得し、
    前記Ｋ－ｍｅｒグラフを表す前記取得されたデータをバリアントコールユニットに提供するように構成されたハードウェアロジックを実行するように命令することを更に含む、請求項１５に記載の方法。
20. 前記方法が、
    前記プログラマブルロジックデバイスの第３のハードウェアロジックユニットに、
    前記ハッシュテーブルキャッシュから前記Ｋ－ｍｅｒグラフのグラフノードを表すデータ及びグラフエッジを表すデータを選択的に削除するように構成されたハードウェアロジックを実行するように命令することを更に含む、請求項１５に記載の方法。
21. 前記制御マシンが、前記プログラマブルロジックデバイスの第３のハードウェアロジックユニットを使用して実装される、請求項１５に記載の方法。
22. 前記ハッシュテーブルキャッシュが、前記プログラマブルロジックデバイスの第３のハードウェアロジックユニットを使用して実装される、請求項１５に記載の方法。
23. 前記制御マシンが、前記制御マシンの機能を実現するためにソフトウェア命令を実行する１つ以上のＣＰＵ又はＧＰＵを使用して実装される、請求項１５に記載の方法。
24. グラフ記述データが、（ｉｉｉ）前記Ｋ－ｍｅｒグラフに対してハードウェアロジックを実行した前記複数のハードウェアロジックユニットのうちの最後のハードウェアロジックユニット、又はＫ－ｍｅｒグラフ識別子に関連するパイルアップの核酸配列を表すデータを更に含む、請求項１５に記載の方法。
25. 前記方法が、
    グラフサイクルの存在をチェックするために前記Ｋ－ｍｅｒグラフを評価することと、
    前記評価中にグラフサイクルが検出された場合に、
    ｋ－ｍｅｒグラフの生成を終了するか、又は
    前記評価中にグラフサイクルが検出されない場合に、
    前記ｋ－ｍｅｒグラフの構造を記述するデータを前記ハッシュテーブルキャッシュから取得することと、
    前記ｋ－ｍｅｒグラフの前記構造を記述する前記取得されたデータをバリアントコールモジュールに提供することと、を更に含む、請求項１５に記載の方法。
26. プログラマブルロジックデバイスを使用するＫ－ｍｅｒグラフのハードウェア加速生成のためのシステムであって、
    演算を実行するように構成されたハードウェアデジタルロジック回路を含むハードウェア加速グラフ生成ユニットを備え、前記演算が、
    第１の核酸配列セットを取得することであって、前記第１の核酸配列セットが、（ｉ）参照配列の活性領域に対応する複数のリード及び（ｉｉ）前記参照配列の一部を含む、前記第１の核酸配列セットを取得することと、
    前記第１の核酸配列セットの各特定の核酸配列について、
    ハッシュテーブルキャッシュに記憶するために、かつ第１のハードウェアロジックユニットによって、前記特定の核酸配列の各Ｋ－ｍｅｒについてのグラフノードを表すデータを生成することと、
    制御マシンによって、前記第１のハードウェアロジックユニットが前記特定の核酸配列の各Ｋ－ｍｅｒについてのグラフノードの生成を完了したことを検出することと、
    前記制御マシンによって、前記生成されたグラフノードのグラフエッジの生成を実行するように第２のハードウェアロジックユニットを構成することと、
    前記生成されたグラフノードの１つ以上のペアについて、
    前記第２のハードウェアロジックユニットによって、かつグラフハッシュテーブルに記憶するために、前記第１のハードウェアロジックユニットによって生成された、前記生成されたグラフノードの１つ以上のペアの相互間のグラフエッジを表すデータを生成することであって、前記ハッシュテーブルキャッシュに記憶された各Ｋ－ｍｅｒについての前記グラフノードを表す前記データ及び前記ハッシュテーブルキャッシュに記憶されたグラフエッジを表す前記データが、前記第１の核酸配列セットのＫ－ｍｅｒグラフを表す、前記グラフエッジを表すデータを生成することと、を含む、システム。
27. 前記演算が、
    前記制御マシンによって、かつ前記制御マシンがアクセス可能なメモリユニットに、前記Ｋ－ｍｅｒグラフのインスタンスのグラフ記述データを定期的に記憶することであって、前記グラフ記述データが（ｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ識別子及び（ｉｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ状態情報を表す、前記グラフ記述データを定期的に記憶することを更に含む、請求項２６に記載のシステム。
28. 前記第１のハードウェアロジックユニットが、
    前記特定の核酸配列の特定のＫ－ｍｅｒのうちの１つ以上が前記特定の核酸配列の別のＫ－ｍｅｒと一致するかどうかを判定し、
    前記特定の核酸配列の前記１つ以上の特定のＫ－ｍｅｒが前記特定の核酸配列の別のＫ－ｍｅｒと一致するという判定に基づいて、前記１つ以上の特定のＫ－ｍｅｒを非一意的なＫ－ｍｅｒとしてマークするデータを記憶するように更に構成されている、請求項２６に記載のシステム。
29. 前記第２のハードウェアロジックが、
    前記Ｋ－ｍｅｒグラフの各エッジにエッジ重みを割り当てるように更に構成されている、請求項２６に記載のシステム。
30. 前記演算が、
    前記プログラマブルロジックデバイスの第３のハードウェアロジックユニットに、
    前記ハッシュテーブルキャッシュから前記Ｋ－ｍｅｒグラフを表すデータを取得し、
    前記Ｋ－ｍｅｒグラフを表す前記取得されたデータをバリアントコールユニットに提供するように構成されたハードウェアロジックを実行するように命令することを更に含む、請求項２６に記載のシステム。
31. 前記演算が、
    前記プログラマブルロジックデバイスの第３のハードウェアロジックユニットに、
    前記ハッシュテーブルキャッシュから前記Ｋ－ｍｅｒグラフのグラフノードを表すデータ及びグラフエッジを表すデータを選択的に削除するように構成されたハードウェアロジックを実行するように命令することを更に含む、請求項２６に記載のシステム。
32. 前記ハッシュテーブルキャッシュが、前記プログラマブルロジックデバイスの第３のハードウェアロジックユニットを使用して実装される、請求項２６に記載のシステム。
33. グラフ記述データが、（ｉｉｉ）前記Ｋ－ｍｅｒグラフに対してハードウェアロジックを実行した前記複数のハードウェアロジックユニットのうちの最後のハードウェアロジックユニット、又はＫ－ｍｅｒグラフ識別子に関連するパイルアップの核酸配列を表すデータを更に含む、請求項２６に記載のシステム。
34. 前記演算が、
    グラフサイクルの存在をチェックするために前記Ｋ－ｍｅｒグラフを評価することと、
    前記評価中にグラフサイクルが検出された場合に、
    ｋ－ｍｅｒグラフの生成を終了するか、又は
    前記評価中にグラフサイクルが検出されない場合に、
    前記ｋ－ｍｅｒグラフの構造を記述するデータを前記ハッシュテーブルキャッシュから取得することと、
    前記ｋ－ｍｅｒグラフの前記構造を記述する前記取得されたデータをバリアントコールモジュールに提供することと、を更に含む、請求項２６に記載のシステム。
35. 演算を実行するように構成されたハードウェアデジタルロジック回路を含むハードウェア加速グラフ生成ユニットであって、前記演算が、
    第１の核酸配列セットを取得することであって、前記第１の核酸配列セットが、（ｉ）参照配列の活性領域に対応する複数のリード及び（ｉｉ）前記参照配列の一部を含む、前記第１の核酸配列セットを取得することと、
    プログラマブルロジックデバイスの複数の非パイプラインハードウェアロジックユニットを使用し、前記取得された第１の核酸配列セットを使用してＫ－ｍｅｒグラフを生成することであって、各ハードウェアロジックユニットが１つ以上の演算を実行するように構成された異なるハードウェアロジック回路を備え、前記Ｋ－ｍｅｒグラフの各ノードがＫ－ｍｅｒを表し、前記Ｋ－ｍｅｒグラフの各エッジがＫ－ｍｅｒのペアの間のリンクを表し、前記Ｋ－ｍｅｒグラフの各エッジの各重みがＫ－ｍｅｒのペアによって表されるＫ－ｍｅｒ配列の出現回数を表す、前記Ｋ－ｍｅｒグラフを生成することと、
    前記Ｋ－ｍｅｒグラフの生成中に、
    制御マシンを用いて、前記Ｋ－ｍｅｒグラフの少なくとも一部を生成するために使用される各ハードウェアロジックユニットによる前記１つ以上の演算の実行後に前記Ｋ－ｍｅｒグラフのグラフ記述データを定期的に更新することであって、前記グラフ記述データが（ｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ識別子及び（ｉｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ状態情報を表し、前記制御マシンが、前記Ｋ－ｍｅｒグラフの生成中に各それぞれのハードウェアロジックユニットの前記１つ以上の演算の実行をトリガすることによって、前記非パイプラインハードウェアロジックユニットを使用して演算のワークフローを作成する、前記グラフ記述データを定期的に更新することと、を含む、ハードウェア加速グラフ生成ユニット。
36. 前記複数のハードウェアロジックユニットの各ハードウェアロジックユニットの出力が、ハッシュテーブルキャッシュを介して記憶される、請求項３５に記載のハードウェア加速グラフ生成ユニット。
37. 前記演算が、
    前記生成されたＫ－ｍｅｒグラフをバリアントコールユニットに提供することを更に含み、前記バリアントコールユニットが、前記Ｋ－ｍｅｒグラフを処理して前記複数のリードのうちの１つ以上と前記参照配列との間の候補バリアントを決定するように構成されている、請求項３５に記載のハードウェア加速グラフ生成ユニット。
38. 前記演算が、
    バリアントコールユニットによって、前記生成されたＫ－ｍｅｒグラフを取得することと、
    前記生成されたＫ－ｍｅｒグラフを処理する前記バリアントコールユニットに基づいて、１つ以上の候補バリアントを識別することを更に含み、ここで、候補バリアントが、リードのパイルアップにおける１つ以上のリードの塩基呼び出しと、参照ゲノムの特定の位置における前記参照ゲノムのヌクレオチドとの間の差分である、請求項３５に記載のハードウェア加速グラフ生成ユニット。
39. 前記グラフ記述データが、（ｉｉｉ）前記Ｋ－ｍｅｒグラフに対してハードウェアロジックを実行した前記複数のハードウェアロジックユニットのうちの最後のハードウェアロジックユニット、又は前記Ｋ－ｍｅｒグラフ識別子に関連するパイルアップの核酸配列を表すデータを更に含む、請求項３５に記載のハードウェア加速グラフ生成ユニット。
40. 演算を実行するように構成されたハードウェアデジタルロジック回路を含むハードウェア加速グラフ生成ユニットであって、前記演算が、
    第１の核酸配列セットを取得することであって、前記第１の核酸配列セットが、（ｉ）参照配列の活性領域に対応する複数のリード、及び（ｉｉ）前記参照配列の一部を含む、前記第１の核酸配列セットを取得す得ることと、
    前記第１の核酸配列セットの各特定の核酸配列について、
    ハッシュテーブルキャッシュに記憶するために、かつ第１のハードウェアロジックユニットによって、前記特定の核酸配列の各Ｋ－ｍｅｒについてのグラフノードを表すデータを生成することと、
    制御マシンによって、前記第１のハードウェアロジックユニットが前記特定の核酸配列の各Ｋ－ｍｅｒについてのグラフノードの生成を完了したことを検出することと、
    前記制御マシンによって、前記生成されたグラフノードのグラフエッジの生成を実行するように第２のハードウェアロジックユニットを構成することと、
    前記生成されたグラフノードの１つ以上のペアについて、
    前記第２のハードウェアロジックユニットによって、かつグラフハッシュテーブルに記憶するために、前記第１のハードウェアロジックユニットによって生成された、前記生成されたグラフノードの１つ以上のペアの相互間のグラフエッジを表すデータを生成することであって、前記ハッシュテーブルキャッシュに記憶された各Ｋ－ｍｅｒについての前記グラフノードを表す前記データ及び前記ハッシュテーブルキャッシュに記憶されたグラフエッジを表す前記データが、前記第１の核酸配列セットのＫ－ｍｅｒグラフを表す、前記グラフエッジを表すデータを生成することと、を含む、ハードウェア加速グラフ生成ユニット。
41. 前記演算が、
    前記制御マシンによって、かつ前記制御マシンがアクセス可能なメモリユニットに、前記Ｋ－ｍｅｒグラフのインスタンスのグラフ記述データを定期的に記憶することであって、前記グラフ記述データが（ｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ識別子及び（ｉｉ）Ｋ－ｍｅｒグラフ状態情報を表す、前記グラフ記述データを定期的に記憶することを更に含む、請求項４０に記載のハードウェア加速グラフ生成ユニット。
42. 前記第１のハードウェアロジックユニットが、
    前記特定の核酸配列の特定のＫ－ｍｅｒのうちの１つ以上が前記特定の核酸配列の別のＫ－ｍｅｒと一致するかどうかを判定し、
    前記特定の核酸配列の前記１つ以上の特定のＫ－ｍｅｒが前記特定の核酸配列の別のＫ－ｍｅｒと一致するという判定に基づいて、前記１つ以上の特定のＫ－ｍｅｒを非一意的なＫ－ｍｅｒとしてマークするデータを記憶するように更に構成されている、請求項４０に記載のハードウェア加速グラフ生成ユニット。
43. 前記第２のハードウェアロジックが、
    前記Ｋ－ｍｅｒグラフの各エッジにエッジ重みを割り当てるように更に構成されている、請求項４０に記載のハードウェア加速グラフ生成ユニット。
44. 前記演算が、
    プログラマブルロジックデバイスの第３のハードウェアロジックユニットに、
    前記ハッシュテーブルキャッシュから前記Ｋ－ｍｅｒグラフを表すデータを取得し、
    前記Ｋ－ｍｅｒグラフを表す前記取得されたデータをバリアントコールユニットに提供するように構成されたハードウェアロジックを実行するように命令することを更に含む、請求項４０に記載のハードウェア加速グラフ生成ユニット。
45. 前記演算が、
    プログラマブルロジックデバイスの第３のハードウェアロジックユニットに、
    前記ハッシュテーブルキャッシュから前記Ｋ－ｍｅｒグラフのグラフノードを表すデータ及びグラフエッジを表すデータを選択的に削除するように構成されたハードウェアロジックを実行するように命令することを更に含む、請求項４０に記載のハードウェア加速グラフ生成ユニット。
46. 前記ハッシュテーブルキャッシュが、プログラマブルロジックデバイスの第３のハードウェアロジックユニットを使用して実装される、請求項４０に記載のハードウェア加速グラフ生成ユニット。
47. グラフ記述データが、（ｉｉｉ）前記Ｋ－ｍｅｒグラフに対してハードウェアロジックを実行した前記複数のハードウェアロジックユニットのうちの最後のハードウェアロジックユニット、又はＫ－ｍｅｒグラフ識別子に関連するパイルアップの核酸配列を表すデータを更に含む、請求項４０に記載のハードウェア加速グラフ生成ユニット。
48. 前記演算が、
    グラフサイクルの存在をチェックするために前記Ｋ－ｍｅｒグラフを評価することと、
    前記評価中にグラフサイクルが検出された場合に、
    ｋ－ｍｅｒグラフの生成を終了するか、又は
    前記評価中にグラフサイクルが検出されない場合に、
    前記ｋ－ｍｅｒグラフの構造を記述するデータを前記ハッシュテーブルキャッシュから取得することと、
    前記ｋ－ｍｅｒグラフの前記構造を記述する前記取得されたデータをバリアントコールモジュールに提供することと、を更に含む、請求項４０に記載のハードウェア加速グラフ生成ユニット。

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