2017
informatika
Magányos töltött alfa-hélixeket megbízhatóan detektáló rendszer kialakítása FPGA felhasználásával
Témavezető:
Dr. Gáspári Zoltán, Dr. Nagy Zoltán
Dr. Gáspári Zoltán, Dr. Nagy Zoltán
Összefoglaló
Minden sejtben lezajló folyamatban fehérjék vesznek részt, fontosságuk az élet területén vitathatatlan. A fehérjék háromdimenziós szerkezetének meghatározása kísérleti módszerekkel még ma is viszonylag drága és hosszadalmas eljárás, a pusztán számításokon alapuló módszerek pedig sokszor hibákkal terheltek, speciális esetektől eltekintve nem elég pontosak és megbízhatóak.
Különféle speciális struktúrák felismerésére azonban számos detektáló algoritmus született. Ezen algoritmusok közül az egyik legújabb algoritmussal foglalkoztam, mely a magányos töltött alfa-hélix szerkezet kimutatására alkalmas.
Az FT_CHARGE algoritmus futtatásához csak a vizsgálandó fehérje aminosavszekvenciájára van szükség, mely online adatbázisokból elérhető. A jósló algoritmus helyessége kísérletekben bizonyítva lett, a probléma az algoritmus futási sebessége volt. A teljes Uniprot adatbázison történő lefuttatás időszükséglete egy mai CPU-n 3 év.
TDK dolgozatom témája az algoritmus felgyorsítása. Elkészítettem egy C++ implementációt illetve egy FPGA-s megvalósítást is. Az előbbi egy nagyságrendes gyorsulást hozott, míg az utóbbival a teljes adatbázison történő lefuttatás mindössze 15 órát vesz igénybe.
Felhasznált rendszer egy ZedBoard Zynq-7000 ARM/FPGA SoC Development Board volt, mely 2 ARM processzormagot, 512MB DDR3 memóriát, és egy kisméretű, energiatakarékosságra kihegyezett FPGA részt tartalmaz.
A rendszer önállóan is működik. Ebben az esetben először az ARM rendszeren futó PetaLinux letölti az adatbázist az internetről, előfeldolgozza az adatokat, kihelyezi az adatokat FPGA-ra az algoritmus kiszámításának céljából, majd a kapott eredmények dokumentálását végzi el.
A végső gyakorlatban használt üzemmód esetén az elő és utófeldolgozást az ARM modul helyett egy különálló PC végzi el. A kommunikáció gigabites Ethernet kapcsolaton megy végbe a számítógép és az FPGA-s rendszer között.
Az Uniprot adatbázis átvizsgálása havi rendszerességgel fog történni az egyetemen, a kapott eredményekből pedig adatbázis lesz fenntartva. A szekvenciánkénti keresés továbbra is elérhető marad a csahserver.itk.ppke.hu weboldalon.
Különféle speciális struktúrák felismerésére azonban számos detektáló algoritmus született. Ezen algoritmusok közül az egyik legújabb algoritmussal foglalkoztam, mely a magányos töltött alfa-hélix szerkezet kimutatására alkalmas.
Az FT_CHARGE algoritmus futtatásához csak a vizsgálandó fehérje aminosavszekvenciájára van szükség, mely online adatbázisokból elérhető. A jósló algoritmus helyessége kísérletekben bizonyítva lett, a probléma az algoritmus futási sebessége volt. A teljes Uniprot adatbázison történő lefuttatás időszükséglete egy mai CPU-n 3 év.
TDK dolgozatom témája az algoritmus felgyorsítása. Elkészítettem egy C++ implementációt illetve egy FPGA-s megvalósítást is. Az előbbi egy nagyságrendes gyorsulást hozott, míg az utóbbival a teljes adatbázison történő lefuttatás mindössze 15 órát vesz igénybe.
Felhasznált rendszer egy ZedBoard Zynq-7000 ARM/FPGA SoC Development Board volt, mely 2 ARM processzormagot, 512MB DDR3 memóriát, és egy kisméretű, energiatakarékosságra kihegyezett FPGA részt tartalmaz.
A rendszer önállóan is működik. Ebben az esetben először az ARM rendszeren futó PetaLinux letölti az adatbázist az internetről, előfeldolgozza az adatokat, kihelyezi az adatokat FPGA-ra az algoritmus kiszámításának céljából, majd a kapott eredmények dokumentálását végzi el.
A végső gyakorlatban használt üzemmód esetén az elő és utófeldolgozást az ARM modul helyett egy különálló PC végzi el. A kommunikáció gigabites Ethernet kapcsolaton megy végbe a számítógép és az FPGA-s rendszer között.
Az Uniprot adatbázis átvizsgálása havi rendszerességgel fog történni az egyetemen, a kapott eredményekből pedig adatbázis lesz fenntartva. A szekvenciánkénti keresés továbbra is elérhető marad a csahserver.itk.ppke.hu weboldalon.
Dr. Gáspári Zoltán
Dr. Nagy Zoltán