Profile hidden Markov models (pHMMs) are widely used in many bioinformatics applications to accurately identify similarities between biological sequences (e.g., DNA or protein sequences). PHMMs use a commonly-adopted and highly-accurate method, called the Baum-Welch algorithm, to calculate these similarities. However, the Baum-Welch algorithm is computationally expensive, and existing works provide either software- or hardware-only solutions for a fixed pHMM design. When we analyze the state-of-the-art works, we find that there is a pressing need for a flexible, high-performant, and energy-efficient hardware-software co-design to efficiently and effectively solve all the major inefficiencies in the Baum-Welch algorithm for pHMMs. We propose ApHMM, the first flexible acceleration framework that can significantly reduce computational and energy overheads of the Baum-Welch algorithm for pHMMs. ApHMM leverages hardware-software co-design to solve the major inefficiencies in the Baum-Welch algorithm by 1) designing a flexible hardware to support different pHMMs designs, 2) exploiting the predictable data dependency pattern in an on-chip memory with memoization techniques, 3) quickly eliminating negligible computations with a hardware-based filter, and 4) minimizing the redundant computations. We implement our 1) hardware-software optimizations on a specialized hardware and 2) software optimizations for GPUs to provide the first flexible Baum-Welch accelerator for pHMMs. ApHMM provides significant speedups of 15.55x-260.03x, 1.83x-5.34x, and 27.97x compared to CPU, GPU, and FPGA implementations of the Baum-Welch algorithm, respectively. ApHMM outperforms the state-of-the-art CPU implementations of three important bioinformatics applications, 1) error correction, 2) protein family search, and 3) multiple sequence alignment, by 1.29x-59.94x, 1.03x-1.75x, and 1.03x-1.95x, respectively.


翻译:配置隐藏的 Markov 模型( pHMMMs) 被广泛用于许多生物信息学应用, 以准确辨别生物序列( 例如, DNA或蛋白序列) 之间的相似性。 PHMMS 使用一种通用和高度精准的方法, 叫做 Baum- Welch 算法, 来计算这些相似性。 然而, Baum- Welch 算法成本高昂, 现有的工程为固定的pHMMM 设计提供软件或硬件专用解决方案。 当我们分析最先进的工程时, 我们发现迫切需要有一个灵活、 高性能和节能的硬件- 软件序列( 例如: 27. DNA或蛋白序列序列 ) 。 PHMMM 的软件或硬件- 软件联合设计一个灵活、 高效率的硬件- 智能- 智能- 智能- 智能- 智能智能智能智能 工具( ) 设计一个硬性硬性硬性硬性能的硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性硬性C

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