Genome sequence alignment in processsing-in-memory architectures

Resumen

La combinación de la aparición de un cuello de botella en el acceso a los datos y la creciente importancia de las aplicaciones de procesamiento intensivo de datos, muy limitadas por el sistema de memoria, crea un importante problema que debe ser abordado. Por ello, en esta tesis nos proponemos afrontar este problema e intentar reducir su efecto en la medida de lo posible. El principal objetivo de esta tesis es el diseño de nuevas soluciones arquitecturales y algorítmicas para superar el problema del cuello de botella conocido como memory-wall y mejorar el rendimiento de aplicaciones con gran uso de memoria que no son capaces de beneficiarse lo suficiente de las jerarquías de memoria actuales. Además, creemos que es esencial centrarse en la eficiencia energética, un factor cuya importancia crece cada día y uno de los factores más limitantes en la computación de alto rendimiento. Las principales contribuciones de esta tesis son: Primero, analizamos el comportamiento de aplicaciones con accesos de memoria aleatorios, que no aprovechan correctamente las nuevas arquitecturas de memoria con jerarquías cache profundas. Específicamente, analizamos la estructura de datos FM-index y un algoritmo de búsqueda de secuencias basado en esa estructura, ampliamente usado en el alineamiento de secuencias en el genoma. Después de este análisis y de obtener un conocimiento más detallado del cuello de botella de la memoria, proponemos una nueva versión de FM-index que permite reducir el consumo de ancho de banda de memoria, de forma que mejora significativamente el rendimiento computacional. Posteriormente, proponemos una nueva arquitectura energéticamente eficiente, basada en un cubo de memoria en 3D (3D-Stacked) al que añadimos unos núcleos sencillos de bajo consumo en su capa lógica. Esta arquitectura permite la ejecución cerca de los datos (near-data-processing) Finalmente, también realizamos un estudio experimental de varias arquitecturas con diferentes tecnologías de memoria (DDR y HBM) y núcleos de procesamiento de distintos tipos, explotando, en algunos casos, procesamiento en la memoria (PIM). La aplicación de referencia es Bowtie2, una aplicación completa para el alineamiento de secuencias en el genoma. La implementación y evaluación de estas arquitecturas se realiza utilizando un simulador arquitectural basado en gem5.