Abstract
Approximate string matching problems have been studied in diverse fields. Recently, fast approximate string matching algorithms are being used to reduce the time and costs for the next generation sequencing. To measure the amounts of errors between two strings, we use a distance function such as the edit distance. Given two strings X(|X| = m) and Y(|Y| = n) over an alphabet ${\Sigma}$, the edit distance between X and Y is the minimum number of edit operations to convert X into Y. The edit distance between X and Y can be computed using the well-known dynamic programming technique in O(mn) time and space. The edit distance also can be computed using the Four-Russians' algorithm whose preprocessing step runs in $O((3{\mid}{\Sigma}{\mid})^{2t}t^2)$ time and $O((3{\mid}{\Sigma}{\mid})^{2t}t)$ space and the computation step runs in O(mn/t) time and O(mn) space where t represents the size of the block. In this paper, we present a parallelized version of the computation step of the Four-Russians' algorithm. Our algorithm computes the edit distance between X and Y in O(m+n) time using m/t threads. Then we implemented both the sequential version and our parallelized version of the Four-Russians' algorithm using CUDA to compare the execution times. When t = 1 and t = 2, our algorithm runs about 10 times and 3 times faster than the sequential algorithm, respectively.
근사문자열매칭 문제는 다양한 분야에서 연구되어 왔다. 최근에는 차세대염기서열분석의 비용과 시간을 줄이기 위해 빠른 근사문자열매칭 알고리즘들이 이용되고 있다. 근사문자열매칭은 문자열들의 오차를 측정하기 위해 편집거리와 같은 거리함수를 이용한다. 알파벳 ${\Sigma}$에 대한 길이가 각각 m, n인 두 문자열 X와 Y의 편집거리는 X를 Y로 변환하기 위해 필요한 최소 편집연산의 수로 정의된다. 두 문자열의 편집거리는 잘 알려진 동적프로그래밍을 이용하여 O(mn) 시간과 공간에 계산할 수 있으며, 4-러시안 알고리즘을 이용해서도 계산할 수 있다. 4-러시안 알고리즘은 블록 크기를 t라 할 때, 전처리 단계에서 $O((3{\mid}{\Sigma}{\mid})^{2t}t^2)$ 시간과 $O((3{\mid}{\Sigma}{\mid})^{2t}t)$ 공간이 필요하며, 계산 단계에서 O(mn/t) 시간과 O(mn) 공간을 이용하여 편집거리를 계산하는 알고리즘이다. 본 논문에서는 4-러시안 알고리즘의 계산 단계를 병렬화하고 실험을 통해 CPU 기반의 순차적 알고리즘과 CUDA로 구현한 GPU 기반의 병렬 알고리즘의 수행시간을 비교한다. 본 논문에서 제시하는 4-러시안 알고리즘의 계산단계는 m/t개의 쓰레드를 사용하여 O(m+n) 시간에 편집거리를 계산한다. GPU 기반의 알고리즘이 CPU 기반의 알고리즘 보다 t = 1일 때 약 10배 빠르고, t = 2일 때 약 3배 빠른 결과를 보였다.
