Recent advances in Protein Structure Prediction Models (PPMs), such as AlphaFold2 and ESMFold, have revolutionized computational biology by achieving unprecedented accuracy in predicting three-dimensional protein folding structures. However, these models face significant scalability challenges, particularly when processing proteins with long amino acid sequences (e.g., sequence length > 1,000). The primary bottleneck that arises from the exponential growth in activation sizes is driven by the unique data structure in PPM, which introduces an additional dimension that leads to substantial memory and computational demands. These limitations have hindered the effective scaling of PPM for real-world applications, such as analyzing large proteins or complex multimers with critical biological and pharmaceutical relevance. In this paper, we present LightNobel, the first hardware-software co-designed accelerator developed to overcome scalability limitations on the sequence length in PPM. At the software level, we propose Token-wise Adaptive Activation Quantization (AAQ), which leverages unique token-wise characteristics, such as distogram patterns in PPM activations, to enable fine-grained quantization techniques without compromising accuracy. At the hardware level, LightNobel integrates the multi-precision reconfigurable matrix processing unit (RMPU) and versatile vector processing unit (VVPU) to enable the efficient execution of AAQ. Through these innovations, LightNobel achieves up to 8.44x, 8.41x speedup and 37.29x, 43.35x higher power efficiency over the latest NVIDIA A100 and H100 GPUs, respectively, while maintaining negligible accuracy loss. It also reduces the peak memory requirement up to 120.05x in PPM, enabling scalable processing for proteins with long sequences.


翻译:近年来,蛋白质结构预测模型(如AlphaFold2和ESMFold)取得了突破性进展,通过实现前所未有的三维蛋白质折叠结构预测精度,彻底改变了计算生物学领域。然而,这些模型在处理长氨基酸序列(例如序列长度>1,000)时面临显著的可扩展性挑战。其瓶颈主要源于激活张量规模的指数级增长,这是由PPM中独特的数据结构所驱动的——该结构引入了一个额外维度,导致巨大的内存和计算需求。这些限制阻碍了PPM在实际应用(如分析具有重要生物学和药学意义的大型蛋白质或复杂多聚体)中的有效扩展。本文提出LightNobel,这是首个通过软硬件协同设计来克服PPM序列长度可扩展性限制的加速器。在软件层面,我们提出**基于令牌的自适应激活量化**方法,该方法利用PPM激活中独特的令牌级特征(如距离分布图模式),实现细粒度量化技术且不损失精度。在硬件层面,LightNobel集成了多精度可重构矩阵处理单元和多功能向量处理单元,以高效执行AAQ。通过这些创新,LightNobel相较于最新的NVIDIA A100和H100 GPU,分别实现了最高8.44倍和8.41倍的加速比,以及37.29倍和43.35倍的能效提升,同时保持可忽略的精度损失。该方案还将PPM的峰值内存需求降低达120.05倍,从而实现对长序列蛋白质的可扩展处理。

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