Parallelization on graphic hardware : contributions to RNA folding and sequence alignment

par Guillaume Rizk

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Dominique Lavenier.

Soutenue en 2011

à Rennes 1 .

  • Titre traduit

    Parallélisation sur matériel graphique : contributions au repliement d'ARN et à l'alignement de séquences


  • Résumé

    La bioinformatique nécessite l'analyse de grandes quantités de données. Avec l'apparition de nouvelles technologies permettant un séquençage à haut débit à bas coût, la puissance de calcul requise pour traiter les données a énormément augmenté. . Cette thèse examine la possibilité d'utiliser les processeurs graphiques (GPU) pour des applications de bioinformatique. Dans un premier temps, ce travail s'intéresse au calcul des structures secondaires d'ARN. Ce problème est en général calculé par programmation dynamique, avec un algorithme qui pose de sérieux problèmes pour un code GPU. Nous introduisons une nouvelle implémentation tuilée qui fait apparaitre une bonne localité mémoire, permettant ainsi un programme GPU très efficace. Cette modification permet également de vectoriser le code CPU et donc de faire une comparaison honnête des performances entre GPU et CPU. Dans un deuxième temps, ce travail aborde le problème d'alignements de séquences. Nous présentons une parallélisation GPU d'une méthode utilisant une indexation par graines. L' implémentation sur GPU n'étant pas efficace, nous nous tournons vers le développement d'une version CPU. Notre contribution principale est le développement d'un nouvel algorithme éliminant rapidement les nombreux alignements potentiels, basé sur le précalcul de portions de la matrice de programmation dynamique. Ce nouvel algorithme a conduit au développement d'un nouveau programme d'alignement très efficace. Notre travail fournit l'exemple de deux problèmes différents dont seulement un a pu être efficacement parallélisé sur GPU. Ces deux expériences nous permettent d'évaluer l'efficacité des GPU et leur place en bioinformatique.


  • Résumé

    Bioinformatics require the analysis of large amounts of data. With the recent advent of next generation sequencing technologies generating data at a cheap cost, the computational power needed has increased dramatically. Graphic Processing Units (GPU) are now programmable beyond simple graphic computations, providing cheap high performance for general purpose applications. This thesis explores the usage of GPUs for bioinformatics applications. First, this work focuses on the computation of secondary structures of RNA sequences. It is traditionally conducted with a dynamic programming algorithm, which poses significant challenges for a GPU implementation. We introduce a new tiled implementation providing good data locality and therefore very efficient GPU code. We note that our algorithmic modification also enables tiling and subsequent vectorization of the CPU program, allowing us to conduct a fair CPU-GPU comparison. Secondly, this works addresses the short sequence alignment problem. We present an attempt at GPU parallelization using the seed-and-extend paradigm. Since this attempt is unsuccessful, we then focus on the development of a program running on CPU. Our main contribution is the development of a new algorithm filtering candidate alignment locations quickly, based on the pre computation of tiles of the dynamic programming matrix. This new algorithm proved to be in fact more effective on a sequential CPU program and lead to an efficient new CPU aligner. Our work provides the example of both successful an unsuccessful attempts at GPU parallelization. These two points of view allow us to evaluate GPUs efficiency and the role they can play in bioinformatics.

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La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (XX-112 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. [99]-105

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université de Rennes I. Service commun de la documentation. Section sciences et philosophie.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TA RENNES 2011/21
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