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超高速生化学ネットワークシミュレーションの基盤構築

Publicly Offered Research

Project AreaEstablishment of Integrative Multi-level Systems Biology and its Applications
Project/Area Number 23136513
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Complex systems
Research InstitutionKeio University

Principal Investigator

舟橋 啓  慶應義塾大学, 理工学部, 准教授 (70324548)

Project Period (FY) 2011-04-01 – 2013-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2012)
Budget Amount *help
¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000)
Fiscal Year 2012: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2011: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Keywords生体生命情報学 / ハイパフォーマンス・コンピューティング / バイオテクノロジー / システムバイオロジー
Outline of Annual Research Achievements

平成24年度は、数値積分アルゴリズムの精度向上、高速化、及び確率モデルシミュレータの実装を行った。
将来的な移植性を考慮しコード生成・コンパイルを必要とせず動的にGPU上で数式を評価する実装となっており独自のメモリ構造を考案した。また、並列化には計算そのものを並列化することで単一のシミュレーションを高速化する細粒度並列化と、複数の計算を並列に実行する粗粒 度並列化がある。本研究では、GPUのハードウェアと要求されたシミュレーション回数に合わ せて粒度の自動調整を行うことで常に最適な粒度でのシミュレーション環境を実現している。数値計算アルゴリズムとしてはGPUでの実行に適したステップ幅可変の”Low Storage Runge-Kutta”や、硬い微分方程式のために後退オイラー法を実装し、合計4種類の数値計算手法を選択することが出来る。本シミュレータはこの並列計算の手法を基盤としてパラメータフィッティングを行うことが可能となっており、複数の探索アルゴリズムを並列に実行するこ とでGPUでの実行にあったフィッティングツールを実装した。
パラメータを推移させ複数のシミュレーションを実行し、C言語での実装とCUDAによる実装について実行時間等の評価を行った。本シミュレータは標準的なステップ幅可変の陽解法や硬い微分方程式に対応した陰解法のソルバを採用しており、ソルバにより結果は異なるが単精度、倍精度どちらでも約30~45倍の高速化を実現した。また、プロファイリングから適切な細粒度並列化により粗粒度並列化のみの実行と比べ約4倍の高速化を達成し、粒度の自動調整機構とあわせて有効な手法であることが示された。
また、一様乱数を使用する確率モデルシミュレーションの高速化を行い、最大で約220倍の高速化を達成した。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2012 Annual Research Report
  • 2011 Annual Research Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2013 2012 2011 Other

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (9 results) (of which Invited: 2 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] LibSBMLSim: A reference implementation of fully functional SBML simulator2013

    • Author(s)
      Hiromu Takizawa
    • Journal Title

      Bioinformatics

      Volume: N/A Issue: 11 Pages: 1474-1476

    • DOI

      10.1093/bioinformatics/btt157

    • Related Report
      2012 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] CellDesigner 4.2: A Modeling Tool for Biochemical Networks.2012

    • Author(s)
      Akira Funahashi
    • Organizer
      The 4th Global COE International Symposium on Physiome and Systems Biology for Integrated Life Sciences and Predictive Medicine
    • Place of Presentation
      Osaka, Japan
    • Year and Date
      2012-11-21
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Coarse grain parallelization and acceleration of biochemical ODE simulation using GPGPU2012

    • Author(s)
      Akira Funahashi
    • Organizer
      NOLTA 2012
    • Place of Presentation
      Majorca, Spain
    • Year and Date
      2012-10-22
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Design and Implementation of GPU accelerated biochemical ODE simulator2012

    • Author(s)
      Kazushige Nakamura
    • Organizer
      HARMONY 2012
    • Place of Presentation
      Maastricht, The Netherlands
    • Year and Date
      2012-05-21
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] CellDesigner 4.2 : A Modeling Tool for Biochemical Networks2012

    • Author(s)
      Akira Funahashi
    • Organizer
      Garuda 7 Workshop
    • Place of Presentation
      Okinawa, Japan(招待講演)
    • Year and Date
      2012-02-22
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] Design and Implementation of GPU accelerated biochemical ODE simulator2012

    • Author(s)
      Kazushige Nakamura, Kazuki Hirata, Noriko Hiroi, Akira Funahashi
    • Organizer
      The 1st HD Physiology International Symposium : Integrative Multi-level Systems Biology for In Silico Cardiology and Pharmacokinetics
    • Place of Presentation
      Tokyo, Japan
    • Year and Date
      2012-01-21
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] Acceleration of Stochastic Biochemical Simulation by GPU2012

    • Author(s)
      Kei Sumiyoshi, Kazuki Hirata, Noriko Hiroi, Akira Funahashi
    • Organizer
      The 1st HD Physiology International Symposium : Integrative Multi-level Systems Biology for In Silico Cardiology and Pharmacokinetics
    • Place of Presentation
      Tokyo, Japan
    • Year and Date
      2012-01-21
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] CellDesigner 4.2 : A Modeling Tool for Biochemical Networks2012

    • Author(s)
      Akira Funahashi
    • Organizer
      The 1st HD Physiology International Symposium : Integrative Multi-level Systems Biology for In Silico Cardiology and Pharmacokinetics
    • Place of Presentation
      Tokyo, Japan
    • Year and Date
      2012-01-20
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] CellDesigner2012

    • Author(s)
      Akira Funahashi
    • Organizer
      ICSB/COMBINE Tutorial 2012
    • Place of Presentation
      Tronto, Canada
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] CellDesigner 4.2 : A Modeling Tool for Biochemical Networks2011

    • Author(s)
      Akira Funahashi
    • Organizer
      The 4th Global COE International Symposium on Physiome and Systems Biology for Integrated Life Sciences and Predictive Medicine
    • Place of Presentation
      Osaka, Japan(招待講演)
    • Year and Date
      2011-11-22
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Remarks] LibSBMLSim: The library for simulating SBML models

    • URL

      http://fun.bio.keio.ac.jp/software/libsbmlsim/

    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Remarks]

    • URL

      http://fun.bio.keio.ac.jp/software/libsbmlsim/

    • Related Report
      2011 Annual Research Report

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Published: 2011-04-06   Modified: 2018-03-28  

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