SeqAn@FPGA - Energieoptimierte Genomsequenzierungsbibliothek für energieeffiziente programmierbare Mikroelektronik

Abstract

Das exponentielle Wachstum von Next-Generation-Sequencing- (NGS) Daten stellt konventionelle von-Neumann-Architekturen vor gravierende Grenzen hinsichtlich Energieverbrauch und Rechenleistung. Ziel des Vorhabens war die algorithmische Adaption und hardwarenahe Implementierung ausgewählter Schlüsselfunktionen der bioinformatischen Open-Source-Bibliothek SeqAn auf Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) im Rahmen des GreenHPC-Initiative des BMFTR. Der methodische Ansatz umfasste:

Algorithmus-definierte Datenflussarchitekturen mit bitgenauer Abbildung bioinformatischer Datenstrukturen (z.B. 2-Bit-Kodierung je DNA-Base) High-Level-Synthesis (HLS) mittels SYCL im Intel oneAPI-Programmierframework als portables C++-Frontend Strukturelle Parallelität durch Replikation unabhängiger Recheneinheiten sowie optimierte Speicherhierarchien (Block-RAM, externes DRAM mit Bank-Interleaving und Prefetching)