IBM凭借FPGA能否做到实时基因测序?

目前,FPGA在实时基因测序方面大显身手,把测序时间从30小时缩短到26分钟,之后基因组测序计算时间将会缩短到10分钟,预计一个全序列基因编译可以在接近实时的时间内完成。

Edico Genome的龙卡(DRAGEN)

FPGA,全称Field-Programmable Gate Array,即现场可编程门阵列。以硬件描述语言(Verilog或VHDL)所完成的电路设计,可以经过简单的综合与布局,快速的烧录至 FPGA 上进行测试,是现代 IC设计验证的主流技术。

FPGA是可编程器件,与传统逻辑电路和门阵列(如PAL,GAL及CPLD器件)相比,FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查找表(16×1RAM)来实现组合逻辑,每个查找表连接到一个D触发器的输入端,触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O,由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块,这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的,存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式,并最终决定了FPGA所能实现的功能,FPGA允许无限次的编程。全球知名的生产商包括Altera、Xilinx、Actel、Lattice、Atmel等。FPGA没有在标准电脑上应用,主要原因在于FPGA的芯片编程非常困难。

基因测序产生大量数据,需要海量的计算支持,常常需要等待一段时间才可以获得检测结果。illumina旗下Edico Genome推出的“龙”硬件加速卡(DRAGEN)将测序计算时间由30小时缩短到26分钟,很可能优化实现实时计算的目标。

2018年9月,IBM Power Systems在《华盛顿邮报》的文章提到采用了Edico Genome使用硬件加速器来加速基因研究的海量计算。Edico Genome的龙卡上集成了基于IBM Power8处理器的S822LC高性能计算服务器和Xilinx 28nm FPGA。

Edico Genome的董事长 Pieter van Rooyen表示,通过进一步优化测序时间将会从现在26分钟减少到10分钟,预计一个全基因测序可以在接近实时的时间内完成,纯软件处理大概需要6小时,FPGA硬件加速提供了约50X~60X的加速性能。目前Edico Genome“龙”卡上用的是Xilinx 28nm器件,公司已经考虑在他们下一代的板子上使用Xilinx UltraScale器件,在现有基础上再获得5X的加速性能提升。

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