Desenvolvimento de hardware reconfigurável dedicado para suporte ao alinhamento de seqüencias

Abstract

Encontrar e visualizar semelhanças entre seqüências de DNA permite aprofundar o conhecimento sobre genomas de organismos em Biologia Molecular. Com o número de seqüências disponíveis para consulta em alguns bancos de dados crescendo exponencialmente, surge um desafio para a ciência da computação. É o de construir sistemas de informática com desempenho suficiente para permitir comparar seqüências genômicas em tempo hábil para a pesquisa e com um custo viável. Freqüentemente são usadas soluções heurísticas, devido ao grande tempo computacional necessário para o uso de soluções exatas. Soluções exatas atualmente apresentam complexidade de tempo quadrática em computadores convencionais, dificultando seu uso prático para seqüências de comprimento como as de aplicações reais. O principal objetivo deste trabalho é viabilizar o uso de algoritmos exatos para comparação de seqüências genômicas, acelerando a obtenção de seus resultados. É proposto um arranjo sistólico de elementos de processamento em hardware reconfigurável. Assim, é explorado o paralelismo potencial do algoritmo de programação dinâmica de Smith-Waterman, reduzindo sua complexidade de tempo de quadrática para linear. É proposta uma solução para minimizar o problema de gargalo de comunicação, esperado por uma implementação "ingênua" da solução. Além do sistema proposto, a prototipação realizada em FPGA é descrita, incluindo uma análise do desempenho obtido. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT

To find and to visualize similarities between DNA sequences allow to deepen the knowledgement on genomas of organisms in Molecular Biology. With the number of available sequences for consultation in some data bases growing exponentially , a challenge for the computer science appears. It is to construct computing systems with enough performance to allow to compare genomics sequences in skillful time for the research and at a viable cost. Frequently heuristical solutions are used, due to the great computational time necessary to the use of exact solutions. Exact solutions currently presents quadratic time complexity in conventionals computers, making difficult its practical use for sequences of length as of real applications. The main objective of this work is to make possible the use of exact algorithms for comparison of genomics sequences, by speeding up the attainment of its results. A systolic arrangement of elements of processing in reconfigurable hardware is proposed. This way, the potential parallelism of the algorithm of dynamic programming of Smith-Waterman is explored, reducing its time complexity from quadratic to linear. Is also proposed a solution to minimize the problem of communication bottleneck, waited in a “naive” implementation. Besides the proposed system, the prototipation made in FPGA is described, including an analysis of the performance gotten.