Profile hidden Markov models (pHMMs) are widely employed in various bioinformatics applications to identify similarities between biological sequences, such as DNA or protein sequences. In pHMMs, sequences are represented as graph structures. These probabilities are subsequently used to compute the similarity score between a sequence and a pHMM graph. The Baum-Welch algorithm, a prevalent and highly accurate method, utilizes these probabilities to optimize and compute similarity scores. However, the Baum-Welch algorithm is computationally intensive, and existing solutions offer either software-only or hardware-only approaches with fixed pHMM designs. We identify an urgent need for a flexible, high-performance, and energy-efficient HW/SW co-design to address the major inefficiencies in the Baum-Welch algorithm for pHMMs. We introduce ApHMM, the first flexible acceleration framework designed to significantly reduce both computational and energy overheads associated with the Baum-Welch algorithm for pHMMs. ApHMM tackles the major inefficiencies in the Baum-Welch algorithm by 1) designing flexible hardware to accommodate various pHMM designs, 2) exploiting predictable data dependency patterns through on-chip memory with memoization techniques, 3) rapidly filtering out negligible computations using a hardware-based filter, and 4) minimizing redundant computations. ApHMM achieves substantial speedups of 15.55x - 260.03x, 1.83x - 5.34x, and 27.97x when compared to CPU, GPU, and FPGA implementations of the Baum-Welch algorithm, respectively. ApHMM outperforms state-of-the-art CPU implementations in three key bioinformatics applications: 1) error correction, 2) protein family search, and 3) multiple sequence alignment, by 1.29x - 59.94x, 1.03x - 1.75x, and 1.03x - 1.95x, respectively, while improving their energy efficiency by 64.24x - 115.46x, 1.75x, 1.96x.


翻译:暂无翻译

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
最新“指挥控制”领域出版物合集(简介)
专知会员服务
1+阅读 · 47分钟前
面向军事作战需求开发的人工智能(RAIMOND)
专知会员服务
1+阅读 · 53分钟前
软件定义多域战术网络:基础与未来方向(综述)
水下战战术决策中的气象与海洋预报(50页报告)
远程空中优势:新一代超视距导弹的兴起
专知会员服务
1+阅读 · 今天14:45
大语言模型溯因推理的统一分类学与综述
专知会员服务
0+阅读 · 今天12:07
美/以-伊战争:停火与后续情景与影响分析
专知会员服务
3+阅读 · 4月11日
相关VIP内容
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员