全局基因调控网络构建与的分析并行算法研究

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1、分类号密级UDC硕士学位论文全局基因调控网络构建与分析并行算法研究陈绪伟学科专业计算机系统结构指导教师钟诚教授论文答辩日期2014年5月24日学位授予日期答辩委员会主席葛丽娜教授广西大学学位论文原创性和使用授权声明本人声明所呈交的论文，是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得广西大学或其它单位的学位而使用过的材料。与我一同工作的同事对本论文的研究工作所做的贡献均已在论文中作了明确说

2、明。本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属广西大学。本人授权广西大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权保存并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。本学位论文属于：□保密，在年解密后适用授权。□不保密。(请在以上相应方框内打“√”)论文作者签名：日期：指导教师签名：日期：作者联系电话：电子邮箱：全局基因调控网络构建与分析并行算法研

3、究摘要自从基因组研究重点开始转向功能研究，全局基因调控网络的构建与分析也就成了生物计算领域的一个重要课题。由于全局基因调控网络构建与分析的时间复杂度过大，因此如何利用如今热门的CPU和GPU协同计算来解决全局基因调控网络的构建与分析时间复杂度过大的问题成为了一个新的研究课题。依据CPU/GPU的混合异构计算平台特性，设计了访存高效、加速比高、可扩展性好的全局基因调控网络构建并行算法。首先，对基因表达谱划分基本块，按对角线安排计算轮次减少数据访存冲突。然后，按CPU与GPU的计算能力来分配计算任务从而

4、保证负载平衡。对于CPU端，首先按多级缓存容量将基因表达谱的基本块进一步合理划分成子块。然后根据数据访存局部性原理依次合理调度基因表达谱子块到多级缓存以保证较高的缓存命中率，减少数据访存交换次数。对于GPU端，依据线程结构的特点，设计双层多角线并行来提高GPU数以百计处理核心的利用率和减少访存冲突。利用纹理缓存优化访存模型，提高算法效率。最后根据基因互信息值集合的分布特点的分析结果，提出了新的基因互信息阈值选取算法，在较短时间内能计算出比较合理的基因互信息阈值，提高了初步筛选初始基因调控网络的准确性

5、。分析基因功能和基因表达的关系，采取融合基因自身的表达信息和全I局基因调控网络的基因调控关系的方法，设计了基因亲密度模型，能较好地衡量基因之间关系的亲密性，在此基础上，设计了基于邻域和基因亲密度的边稳定系数模型；通过按边的邻域规模大小将边稳定系数的计算任务分配给各线程以平衡各线程的负载，提出了图剖分结果比较好的LevelizedNestedDissection并行化算法，采取并行地分析图剖分的几个子图社区结构的策略，设计实现了社区结构分析结果良好、高效的全局基因调控网络社区结构分析并行算法，在确保社

6、区结构分析结果精度的前提下，本文提出的全局基因调控网络社区结构分析并行算法大大降低了分析过程所需的时间。关键字：全局基因调控网络交互信息CPU与GPU协同计算社区结构边稳定系数模型IIPARALLELALGORITHMSFORCONSTRUCTINGANDANALYZINGTHEGENOME-WIDEGENEREGULATORYNETWORKSABSTRACTAstheresearchers’focushasshiftedtofunction.Thismaketheconstructionandan

7、alysisofgenome-widegeneregulatorynetworksbecomeasignificanttopicofcomputationalbiology.Whiletheconstructionandanalysisofgenome-widegeneregulatorynetworksneedstoomuchtimecomplexity,howtousetheCPU-GPUcollaborativecomputingtosolvetheproblemhasbecomeanewre

8、searchtopic.BasedonthefeaturesofCPU/GPUmixedheterogeneouscomputingplatforms,thispaperdesignedaparallelalgorithmwhichhashighmemoryaccessefficiency,highspeedratioandgoodscalabilityforconstructinggenome-widegeneregulatorynetworks.First,the