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CO-PROCESADOR PARA CÁLCULO DE RMSD EN ESQUELETOS DE PROTEÍNAS MARTIN RAMIRO GIOIOSA.

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Presentación del tema: "CO-PROCESADOR PARA CÁLCULO DE RMSD EN ESQUELETOS DE PROTEÍNAS MARTIN RAMIRO GIOIOSA."— Transcripción de la presentación:

1 CO-PROCESADOR PARA CÁLCULO DE RMSD EN ESQUELETOS DE PROTEÍNAS MARTIN RAMIRO GIOIOSA

2 > 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

3 > 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.

4 > 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)

5 > 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.

6 > 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 SLICE CELDA LÓGICA SLICE CELDA LÓGICA

7 > INTRODUCCIÓN > FPGA HARDWARE EMBEBIDO EN LAS FPGA: RAM EN BLOQUE SUMADORES, MULTIPLICADORES HARDCORES (PROCESADORES, PERIFERICOS …)

8 > 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)

9 > INTRODUCCIÓN > FPGA EJEMPLO DE SISTEMA BASADO EN HARDCORE: SOURCE: XILINX

10 > INTRODUCCIÓN > FPGA EJEMPLO DE SISTEMA BASADO EN SOFTCORE: SOURCE: XILINX

11 > 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

12 > HARDWARE UTILIZADO DENTRO DE LA FPGA DISPONEMOS DE: HARDWARE EMBEBIDO: PROCESADOR POWERPC Y CONTROLADOR ETHERNET BLOQUES DE LÓGICA CONFIGURABLE

13 > HARDWARE UTILIZADO > FPGA VIRTEX-4 LOGIC CELLS: 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

14 > ESQUEMA DE IMPLEMENTACIÓN SERVIDOR (AVNET FX12 MINIMODULE) FPGA VIRTEX-4 FX12 TRIMODE ETHERNET MEDIA ACCESS CONTROLLER POWERPC 405 EMAC COMPONENTE ACELERADOR PHY ETHERNET 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

15 > 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 C 2)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 FPGA 6)MIGRAR LA APLICACIÓN SERVIDORA A LA PLACA. 7)MIGRAR PARTE DEL CÁLCULO AL COMPONENTE ACELERADOR. 8)OPTIMIZAR EL COMPONENTE ACELERADOR.

16 RED. > DESARROLLO > APLICACIONES CLIENTE-SERVIDOR SERVIDOR HTON NTOH CLIENTE HTON NTOH CARGA DE COORDENADAS DE ESTRUCTURAS A 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 ENDIAN NTOH (NETWORK TO HOST) = BIG ENDIAN -> ENDIAN HOST

17 SOPORTE A LOS COMPONENTES DE HARWARE > DESARROLLO > PLATAFORMA SERVIDORA

18 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 UNIDAD EJECUCIÓN CO-PROCESADOR DECODER RESULTADO UNIDAD EJECUCIÓN DECODER

19 > 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

20 > 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):

21 > INTRODUCCIÓN > COMPONENTE ACELERADOR (INTRODUCCIÓN) PIPELINE: LATENCY: 4 RATE (CYCLES/RESULT): 1 MAX. UNIT DELAY: 64 EFFECTIVE 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:

22 > 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.

23 > INTRODUCCIÓN > COMPONENTE ACELERADOR (INTRODUCCIÓN) PROYECTO ImpulseC APLICACIÓN EN ANSI C REFACTORIZADA GENERACIÓN DE HARDWARE ACELERADOR GENERACIÓN DE INTERFAZ DE HARDWARE GENERACIÓN DE INTERFAZ DE SOFTWARE DESCRIPCIÓN DE HARDWARE SOFTWARE (COMUNICACIÓN) FPGA VIRTEX-4 COMPONENTE ACELERADOR PROCESADOR POWERPC BUS

24 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

25 for (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

26 SE AÑADE EL NUEVO COMPONENTE ACELERADOR AL DISEÑO: > DESARROLLO > COMPONENTE ACELERADOR

27 > 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); 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; } 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

28 > LLAMADA AL SERVIDOR

29 > MERCADO > FABRICANTES DE FPGAs QUICKLOGIC ALTERA XILINX CYPRESS SEMICONDUCTOR LATTICE SEMICONDUCTOR ATMEL ACTEL

30 > 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.


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