用于移动DNA测序仪中序列解码的RISC-V加速器

《IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems》：A RISC-V Accelerator for Sequence Decoding in Mobile DNA Sequencers

针对纳米孔测序中CTC解码的瓶颈，设计了一种基于Viterbi算法的FPGA硬件加速器，在Xilinx Virtex-7 FPGA和RISC-V SoC上实现，支持23000碱基/秒吞吐量、0.43W功耗，较CPU提升7倍速度，较现有FPGA方案快29倍，确保低功耗便携基因组分析。

摘要：

现代纳米孔测序仪能够高速生成原始信号数据，因此需要低延迟且能效高的碱基识别流程来实现完全便携式的基因组分析。在这项工作中，我们提出了一种用于基于维特比算法（Viterbi）的连接主义时间分类（CTC）解码阶段的硬件加速器——该阶段是将神经网络输出转换为脱氧核糖核酸（DNA）序列的关键瓶颈。我们的设计是首个专为纳米孔测序量身定制的流水线式CTC维特比解码器架构，它被实现在一个基于Xilinx Virtex-7（VC707）FPGA的、支持Linux的第五代精简指令集计算机（RISC-V）系统级芯片（SoC）上。该加速器在100 MHz的频率下每秒可处理超过23,000个DNA碱基，每个样本的延迟约为4.3微秒，且仅消耗0.43瓦的功率。这意味着每J碱基的计算成本仅为5.3×10^-4美元，相较于CPU基线实现了约7倍的加速效果，同时保持了与CPU相同的读长识别准确性。对于相同的CTC任务，该加速器的吞吐量是最新FPGA束搜索解码器的29倍。这些结果证明了专用解码加速器在功率受限环境中实现实时、设备内基因组处理的可行性。