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  1. NTU Theses and Dissertations Repository
  2. 電機資訊學院
  3. 電子工程學研究所
請用此 Handle URI 來引用此文件: http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/99737
標題: 支援仿射間隙罰分之基因序列對圖比對硬體加速器設計
A Hardware Accelerator for Sequence-to-Graph Alignment with an Affine Gap Penalty Model
作者: 黃政勛
Jheng-Syun Huang
指導教授: 盧奕璋
Yi-Chang Lu
關鍵字: 基因序列比對,基因組圖,仿射間隙罰分,硬體加速器,現場可程式化邏輯閘陣列,
Sequence alignment,Genome graph,Affine gap penalty,Hardware accelerator,FPGA,
出版年 : 2025
學位: 碩士
摘要:   序列比對一直是生物資訊領域中的基礎工具,用於找出讀段與線性參考基因組之間的相似性。然而,單一的參考序列無法完整涵蓋不同族群間的遺傳多樣性。為了解決這個限制,參考基因組圖的概念應運而生,透過圖結構來表現遺傳變異,進而促成了序列對圖比對演算法的發展。
  本研究提出一個用於種子與延伸啟發式序列對圖比對的硬體加速器,實作於現場可程式化邏輯閘陣列(FPGA)上並以160MHz運行。我們採用軟硬體協同設計的流程,包含基因組圖索引建構、讀段種子尋找、種子分群與序列對圖史密斯-沃特曼比對等步驟。我們提出一種創新的向前更新技巧,將仿射間隙罰分模型整合至現有的序列對圖史密斯-沃特曼演算法中,使本研究成為首個支援仿射間隙罰分的序列對圖比對硬體加速器。實驗結果顯示,我們的設計在真實的人類基因組圖上,相較於VG可達到最高19.60倍的加速效果,對GraphAligner則可達到最高24.53倍的加速,展現出其在長讀段序列對圖比對任務中的高效能與實用性。
Sequence alignment has long been a fundamental tool in bioinformatics for identifying similarities between read sequences and a linear reference genome. However, a single reference sequence cannot fully capture the genetic diversity across populations. To address this limitation, the concept of the reference genome graph has emerged, which represents genetic variations through a graph structure. This has led to the development of sequence-to-graph alignment algorithms.
This work presents a hardware accelerator for seed-and-extend sequence-to-graph alignment, implemented on a Terasic FPGA running at 160 MHz. Our design adopts a software–hardware co-designed flow that includes graph indexing, read seeding, seed clustering, and alignment. We propose a novel forward update technique and incorporate the affine gap penalty model into the existing sequence-to-graph Smith-Waterman algorithm, making this work the first sequence-to-graph hardware accelerator to support affine gap penalties. Experiment results show that our design achieves up to 19.60× speedup over VG and 24.53× over GraphAligner on real human genome graphs, demonstrating its efficiency and suitability for long-read sequence-to-graph alignment.
URI: http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/99737
DOI: 10.6342/NTU202503486
全文授權: 同意授權(限校園內公開)
電子全文公開日期: 2027-08-14
顯示於系所單位:電子工程學研究所

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