SeqAn@FPGA - Energieoptimierte Genomsequenzierungsbibliothek für energieeffiziente programmierbare Mikroelektronik

Abstract

Die moderne Genomforschung generiert durch Next-Generation-Sequencing (NGS) exponentiell wachsende Datenmengen, was sich in einer stetigen Verdopplung der gespeicherten Sequenzobjekte in öffentlichen Datenbanken wie GenBank widerspiegelt. Diese Datenexplosion stellt klassische von-Neumann-Architekturen (CPUs) vor gravierende performante und vor allem energetische Grenzen. Der hohe Energieverbrauch und der damit verbundene CO2-Fußabdruck in Hochleistungsrechenzentren (HPC) machen den Übergang zu energieoptimierten Rechenparadigmen (GreenHPC) unumgänglich. Das Projektvorhaben SeqAn@FPGA knüpfte an diesen Bedarf an. Die ursprüngliche Aufgabenstellung bestand darin, rechenintensive Schlüsselfunktionen der weltweit etablierten und quelloffenen Bioinformatik- Bibliothek SeqAn hardwarenah auf energieeffiziente Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) zu portieren. Im Fokus standen dabei fortschrittliche Datenstrukturen zur Sequenzsuche: der (Hierarchical) Interleaved Bloom Filter ((H)IBF) und der FM-Index. Diese sollten so in bestehende Workflows, wie den Sequenz-Vorfilter Raptor, integriert werden, dass Bioinformatik-Anwender transparente Leistungs- und Energieeffizienzstei- gerungen erzielen können.