CO-PROCESADOR PARA CÁLCULO DE RMSD EN ESQUELETOS DE PROTEÍNAS

MARTIN RAMIRO GIOIOSA

> INTRODUCCIÓN > RMSD

EL PLEGAMIENTO DE LAS PROTEÍNAS ES UN PROCESO POR EL CUAL LA MISMA VA ADQUIRIENDO ESTRUCTURA TRIDIMENSIONAL.SEGÚN SU PLEGAMIENTO SE PUEDE DETERMINAR SU FUNCIÓN BIOLÓGICA.

BASE DE DATOS(ESTRUCTURAS CONOCIDAS)COMPARACIÓN POR SECUENCIA

DE AMINOÁCIDOS

COMPARACIÓN FÍSICA(RMSD)

FUNCIÓN BIOLÓGICA

> INTRODUCCIÓN > RMSD

EL PROYECTO CONSISTE EN IMPLEMENTAR UN CO-PROCESADOR BASADO EN FPGA PARA ACELERAR EL PROCESO DE CÁLCULO QUE PERMITE OBTENER LA DIFERENCIA ARQUITECTURAL ENTRE ESTRUCTURAS DE PROTEÍNAS BASÁNDOSE EN SU FORMA Y CONFORMACIÓN TRIDIMENSIONAL.

EL VALOR DE RMSD (ROOT MEAN SQUARE DEVIATION) NOS INDICA EL GRADO DE SIMILITUD ENTRE DOS ESTRUCTURAS, ADQUIRIENDO VALORES PEQUEÑOS A MEDIDA QUE LAS MISMAS SE ASEMEJAN.

> INTRODUCCIÓN > RMSD

ENTONCES EL CÁLCULO DE RMSD ES UTILIZADO COMO MEDIO DE COMPARACIÓN PARA DETERMINAR LA FUNCIONALIDAD BIOLÓGICA DE LAS PROTEÍNAS.

DICHA EVALUACIÓN DE FUNCIONALIDAD BIOLÓGICA COMPLEMENTADO CON OTRAS APLICACIONES PERMITE:

ANÁLISIS DE IMPACTO PARA SUMINISTRO DE DROGAS DETERMINAR LA PENETRACIÓN DE VIRUS EN CÉLULAS TRATAMIENTO DE ENFERMEDADES EMERGENTES POR DEFORMACIÓN DE

DETERMINADAS PROTEÍNAS (MODIFICACIONES GENÉTICAS)

> INTRODUCCIÓN > FPGA

UN FPGA (FIELD PROGRAMMABLE GATE ARRAY) ESTÁ FORMADO POR ARREGLOS DE VARIOS BLOQUES PROGRAMABLES O BLOQUES LÓGICOS, ESTOS BLOQUES ESTÁN INTERCONECTADOS ENTRE SÍ POR MEDIO DE CANALES DE CONEXIÓN TANTO VERTICALES Y HORIZONTALES.

CAPACIDAD DE REPRODUCIR CUALQUIER CIRCUITO LÓGICO COMPUTACIONAL

PERMITE OPTIMIZAR TIEMPOS DE PROCESAMIENTO POR MEDIO DE EJECUCIONES LÓGICAS EN PARALELO Y GENERACIÓN DE PIPELINES.

FÁCIL PROTOTIPADO Y CORTO PLAZO EN IMPLEMENTACIÓN DEL DISEÑO.

GRAN VARIEDAD DE HERRAMIENTAS PARA EL DISEÑO Y TESTEO DE LOS PROTOTIPOS.

> INTRODUCCIÓN > FPGA

EL BLOQUE LÓGICO ES CAPAZ DE PROPORCIONAR UNA FUNCIÓN LÓGICA EN GENERAL Y PROGRAMABLE.

LAS TABLAS DE LOOK-UP (LUT) SON MEMORIAS EN DONDE SE CARGAN DATOS. AL APLICARLE LOS DATOS DE ENTRADA A LA FUNCIÓN BOOLEANA LA MEMORIA DEVUELVE UN DATO CORRESPONDIENTE CON LA SALIDA REQUERIDA.

RECURSOS DE INTERCONEXIÓN

CÉLULAS DE E/S

BLOQUES LÓGICOS

SLICECELDA LÓGICA

CELDA LÓGICA

SLICECELDA LÓGICA

CELDA LÓGICA

> INTRODUCCIÓN > FPGA

HARDWARE EMBEBIDO EN LAS FPGA:

RAM EN BLOQUE SUMADORES, MULTIPLICADORES HARDCORES (PROCESADORES, PERIFERICOS …)

> INTRODUCCIÓN > FPGA

IPCORES RELEVANTES EN LOS DISEÑOS (XILINX)

PROCESADORES - MICROBLAZE (32 bit) - PICOBLAZE (8 bits)

BUSES DE COMUNICACIONES (SE UTILIZA LA FAMILIA DE BUSES CROSSCONNECT DESARROLLADA POR

IBM) - PROCESSOR LOCAL BUS (PLB) - DEVICE CONTROL REGISTER BUS (DCR) - ON-CHIP PERIPHERAL BUS (OPB) - FABRIC COPROCESSOR BUS (FCB) - FAST SIMPLEX LINK (FSL) - ON-CHIP MEMORY (OCM)

> INTRODUCCIÓN > FPGA

EJEMPLO DE SISTEMA BASADO EN HARDCORE:

SOURCE: XILINX

> INTRODUCCIÓN > FPGA

EJEMPLO DE SISTEMA BASADO EN SOFTCORE:

SOURCE: XILINX

> INTRODUCCIÓN > FPGA

DISEÑO EN FPGA: PLATAFORMA DE DESARROLLO QUE PROVEE EL FABRICANTE

UTILIZACIÓN DE IPCORES (INTELLECTUAL PROPERTY CORE) PREFABRICADOS.

IPCORES SON LOS COMPONENTES PREFABRICADOS LISTOS PARA SER INCORPORADOS DENTRO DE UNA FPGA. LA PLATAFORMA DEL FABRICANTE PROVEE ALGUNOS Y ADEMÁS PUEDEN CONSEGUIRSE DESDE INTERNET.

DISEÑO DE COMPONENTES UTILIZANDO : LENGUAJES HDL (HARWARE DESCRIPTOR LANGUAGE) - VHDL - VERILOG UTILIZACIÓN DE HERRAMIENTAS ESL (ELECTRONIC SYSTEM LEVEL) - ImpulseC

> HARDWARE UTILIZADO

DENTRO DE LA FPGA DISPONEMOS DE:

HARDWARE EMBEBIDO: PROCESADOR POWERPC Y CONTROLADOR ETHERNET

BLOQUES DE LÓGICA CONFIGURABLE

> HARDWARE UTILIZADO > FPGA VIRTEX-4

LOGIC CELLS: 12312

SLICES: 5472 (4 POR CADA BLOQUE LÓGICO)

BLOCK RAM

DCMs: 4

MAX DISTRIBUTED RAM: 86 Kb

ARRAY (ROW X COL): 64 x 40

MAX BLOCK RAM: 648 Kb

18Kb BLOCKS: 36

> ESQUEMA DE IMPLEMENTACIÓN

SERVIDOR (AVNET FX12 MINIMODULE)

FPGA VIRTEX-4 FX12

TRIMODEETHERNETMEDIAACCESS

CONTROLLER

POWERPC 405

EMACCOMPONENT

E ACELERADO

R

PHYETHERNET

FCB

COMUNICACIÓN ENTRE CLIENTE - SERVIDOR: SOCKETS TCP

COMUNICACIÓN ENTRE PROCESADOR POWERPC Y COMPONENTE ACELERADOR: POR MEDIO DEL BUS FCB (FABRIC CO-PROCESSOR BUS).

CLIENTE:APLICACIÓN CLIENTE ENVÍA

LAS ESTRUCTURAS DE PROTEÍNAS A COMPARAR

SERVIDOR (PLATAFORMA LINUX):APLICACIÓN SERVIDORA RECIBE EL PEDIDO Y DELEGA EL PROCESO DE

CÁLCULO AL COMPONENTE ACELERADOR

COMPONENTE ACELERADOR

> MAPA DE DESARROLLO

ETAPA DE INICIO:SE CUENTA CON EL ALGORITMO DE CÁLCULO DE RMSD IMPLEMENTADO EN C++

ETAPA DE DESARROLLO:1)MIGRAR LA ACTUAL APLICACIÓN A LENGUAJE C2)APLICAR ARITMÉTICA DE PUNTO FIJO EN REEMPLAZO DE PUNTO FLOTANTE.3)GENERAR APLICACIÓN CLIENTE-SERVIDOR EN PC Y COMUNICACIÓN POR SOCKETS.4)SIMULACIONES EN PC.5)GENERAR LA PLATAFORMA SERVIDORA SOBRE LA FPGA6)MIGRAR LA APLICACIÓN SERVIDORA A LA PLACA.7)MIGRAR PARTE DEL CÁLCULO AL COMPONENTE ACELERADOR.8)OPTIMIZAR EL COMPONENTE ACELERADOR.

RED

.

> DESARROLLO > APLICACIONES CLIENTE-SERVIDOR

SERVIDOR

HTON

NTOH

CLIENTE

HTON

NTOH

CARGA DE COORDENADAS

DE ESTRUCTURASA COMPARAR RMSD ENTRE

C/U DE LAS ESTRUCTURAS

RECEPCIÓN DEL PEDIDO

UTILIZACIÓN DE: SOCKETS CONVERSION DE ENDIANNESS ARITMÉTICA DE PUNTO FIJO

HTON (HOST TO NETWORK) = ENDIAN HOST -> BIG ENDIANNTOH (NETWORK TO HOST) = BIG ENDIAN -> ENDIAN HOST

SOPORTE A LOS COMPONENTES DE HARWARE

> DESARROLLO > PLATAFORMA SERVIDORA

KERNEL LINUX COMPILADO PARA LA ARQUITECTURA DEL PROCESADOR DE LA FPGA (POWERPC) HABILITADA LA INTERFAZ APU (AUXILIARY PROCESSOR UNIT) DEL POWERPC PARA CONECTARSE CON EL COMPONENTE ACELERADOR.

> DESARROLLO > PLATAFORMA SERVIDORA

POWERPC

INSTRUCCIÓN

CONTROLADOR APU

UNIDADEJECUCIÓN

CO-PROCESADOR

DECODER

RESULTADO

UNIDADEJECUCIÓN

DECODER

> INTRODUCCIÓN > COMPONENTE ACELERADOR (INTRODUCCIÓN)

ImpulseC:

PERMITE ABSTRAERSE DE LA PROGRAMACIÓN DE BAJO NIVEL (USA ANSI C)

REALIZAR OPTIMIZACIONES A NIVEL IMPLEMENTACIÓN: A) LOOP UNROLLING: CONSISTE EN REPLICAR EN HARDWARE EL CUERPO DEL LOOP TANTAS VECES COMO ITERACIONES SE REALIZA SOBRE EL MISMO. B) GENERACIÓN DE PIPELINES: CONSISTE EN IR TRANSFORMANDO UN FLUJO DE DATOS EN UN PROCESO COMPRENDIDO POR VARIAS FASES SECUENCIALES, SIENDO LA ENTRADA DE CADA UNA LA SALIDA DE LA ANTERIOR.

INCORPORA MÉTODOS DE COMUNICACIÓN

> INTRODUCCIÓN > COMPONENTE ACELERADOR (INTRODUCCIÓN)LOOP UNROLLING:

ES EQUIVALENTE A:

DIAGRAMA DE NIVELES (OPTIMIZADO):

for (i = 0; i < 3; ++i){ #pragma CO UNROLL

arrayA[i] = arrayB[i];}

arrayA[0] = arrayB[0];arrayA[1] = arrayB[1];arrayA[2] = arrayB[2];

DIAGRAMA DE NIVELES (ITERATIVO):

> INTRODUCCIÓN > COMPONENTE ACELERADOR (INTRODUCCIÓN)PIPELINE:

LATENCY: 4RATE (CYCLES/RESULT): 1MAX. UNIT DELAY: 64EFFECTIVE RATE: 64

acum = 0;for (i = 0; i < 3; ++i){ #pragma CO PIPELINE #pragma CO SET STAGEDELAY 64

sum = arrayA[i] + arrayB[i]; square = sum * sum; acum += square;}

DIAGRAMA DE NIVELES:

1

2

3

4

> INTRODUCCIÓN > COMPONENTE ACELERADOR (INTRODUCCIÓN)POSIBLES CANALES DE COMUNICACIÓN ENTRE EL SOFTWARE Y EL COMPONENTE ACELERADOR:

MEDIANTE CONTROLADOR APU (AUXILIARY PROCESSOR UNIT) PROVEE MECANISMOS DE SINCRONIZACIÓN Y COMUNICACIÓN ENTRE EL PROCESADOR POWERPC Y EL COMPONENTE ACELERADOR. SE USA EL BUS “FCB” DE ALTA VELOCIDAD Y PERMITE ENVIAR HASTA 32 BITS.

REGISTROS MAPEADOS EN MEMORIA ES UNA FORMA TÍPICA DE COMUNICACIÓN DE DATOS. ES NECESARIO DRIVERS DEL LADO DEL SOFTWARE PARA EL ACCESO A ESTA MEMORIA.

> INTRODUCCIÓN > COMPONENTE ACELERADOR (INTRODUCCIÓN)

PROYECTO ImpulseC

APLICACIÓN EN ANSI C

REFACTORIZADAGENERACIÓN DE

HARDWARE ACELERADOR

GENERACIÓN DE INTERFAZ DE HARDWARE

GENERACIÓN DE INTERFAZ DE SOFTWARE

DESCRIPCIÓN DE HARDWARE

SOFTWARE (COMUNICACIÓN)

FPGA VIRTEX-4

COMPONENTE ACELERADOR

PROCESADOR POWERPCBUS

EL CÁLCULO DE INTEGRAL DE RMSD CONSTA DE: 1- HACER COINCIDIR LOS CENTROS GEOMÉTRICOS ENTRE ESTRUCTURAS 2- ROTAR UNA CON RESPECTO A LA OTRA Y CONSEGUIR SUPERPOSICIÓN ÓPTIMA 3- CALCULAR EL RMSD ENTRE AMBAS

EL PUNTO 3, FUÉ MIGRADO AL COMPONENTE ACELERADOR

SE UTILIZÓ LA TÉCNICA DE EJECUCIÓN POR PIPELINES COMO OPTIMIZACIÓN

> DESARROLLO > COMPONENTE ACELERADOR

> DESARROLLO > COMPONENTE ACELERADORfor (i = 0; i < CANT_COORD_POR_ESTRUCTURA; ++i){ co_stream_read(input, &dato_entrada, sizeof(FloatType)); firstx[i] = dato_entrada; co_stream_read(input, &dato_entrada, sizeof(FloatType)); firsty[i] = dato_entrada; co_stream_read(input, &dato_entrada, sizeof(FloatType)); firstz[i] = dato_entrada;}for (i = 0; i < CANT_COORD_POR_ESTRUCTURA; ++i){ co_stream_read(input, &dato_entrada, sizeof(FloatType)); secondx[i] = dato_entrada; co_stream_read(input, &dato_entrada, sizeof(FloatType)); secondy[i] = dato_entrada; co_stream_read(input, &dato_entrada, sizeof(FloatType)); secondz[i] = dato_entrada;}

ret = constant_f_0_0;for (k = 0; k < CANT_COORD_POR_ESTRUCTURA; ++k){ #pragma CO PIPELINE #pragma CO SET STAGEDELAY 64

assign_add(ret, add3(square(sub(firstx[k], secondx[k])), square(sub(firsty[k], secondy[k])), square(sub(firstz[k], secondz[k]))));}

ret = square_root(divide(ret, to_current(CANT_COORD_POR_ESTRUCTURA)));

co_stream_write(output, &ret, sizeof(FloatType));

CÁLCULO DE RMSD

LECTURA STREAM DE ENTRADA

ESCRITURA STREAM DE SALIDA

SE AÑADE EL NUEVO COMPONENTE ACELERADOR AL DISEÑO:

> DESARROLLO > COMPONENTE ACELERADOR

> DESARROLLO > UTILIZACIÓN DEL COMPONENTE ACELERADOR

FloatType rmsd_to(Coord3d* first, const Coord3d* second, const size_t num_coords){ FloatType ret = constant_f_0_0;  rotalign_to(first, second, num_coords);  size_t i; for (i = 0; i < num_coords; ++i) assign_add(ret, add3(square(sub(first[i].x, second[i].x)), square(sub(first[i].y, second[i].y)), square(sub(first[i].z, second[i].z))));  ret = square_root(divide(ret, to_current(num_coords)));  return ret;}

FloatType rmsd_to(Coord3d* first, const Coord3d* second, const size_t num_coords){ FloatType ret = constant_f_0_0;  rotalign_to(first, second, num_coords);  co_processor_call(first, second, &ret);  return ret;}

COMUNICACIÓN Y USO DEL COMPONENTE ACELERADOR DESDE LA APLICACIÓN SERVIDORA

> LLAMADA AL SERVIDOR

> MERCADO > FABRICANTES DE FPGAs

QUICKLOGIC

ALTERA

XILINX

CYPRESS SEMICONDUCTOR

LATTICE SEMICONDUCTOR

ATMEL

ACTEL

> MERCADO > ASPECTO ECONÓMICO

COSTO ELEVADO (LA UTILIZADA EN ESTE PROYECTO RONDA LOS 200 U$S)

PLATAFORMA DE DESARROLLO UTILIZABLE: - SOLO LA DEL FABRICANTE (COMPRA DE LICENCIAS)

IPCORES: - EL FABRICANTE EN SU PLATAFORMA DE DESARROLLO PROVEE ALGUNOS PAGOS Y OTROS LIBRES. - EN INTERNET EXISTEN IPCORES LIBERADOS.

GENERAR UNA PLATAFORMA EN UN SOLO INTEGRADO

IMPLEMENTAR DISEÑOS Y PROTOTIPOS DE MANERA FLEXIBLE Y RÁPIDA.