Non-Homogeneous置換モデルに基づく進化系統樹推測のMPI/OpenMP HYBRID並列化： 大規模計算システム向けプログラムの開発と性能評価

石川, 奏太, 中尾, 昌広, 稲垣, 祐司, 橋本, 哲男, 佐藤, 三久

多様な生物種より得られた大規模遺伝子配列データをもとに分子系統解析を行う場合，パラメータの異なる複数の置換モデルを系統樹の各系統に適用するNon-Homogeneous置換モデルが有効である．一方，この解析法では推定すべきパラメータ数と計算時間が飛躍的に増大するという問題が生じるため，系統解析プログラムの並列化が必須である．本研究では塩基配列データにおける系統間でのG+C含量の不均一性を許容するNon-Homogeneous置換モデルを搭載した系統解析プログラム“NHML”を対象とし，系統樹の尤度計算アルゴリズムにMPIおよびOpenMPによるHYBRID並列計算技術を導入した．シミュレーション配列を用いた性能評価では，1本の系統樹の尤度計算において256並列まで良好な並列化効率が認められた．さらにMPIコミュニケータを分割することで，複数本の系統樹に対する尤度計算を並列的に行わせた．結果，1024 CPUコア以上を用いた場合であっても優れた並列性を実現した．

In the phylogentic analyses based on sequence datasets derived from diverse species, Non-Homogeneous models, which allocate different model parameters on each node of a tree, are efficient to reconstruct correct phylogenetic trees. However, the analyses with Non-Homogeneous models can be computationally intense because of an enormous amount of model parameters need to be optimized. Therefore, to accelerate phylogenetic analyses with Non-Homogeneous models, the parallelization of phylogenetic programs is necessary. In this study, we parallelized a phylogenetic program “NHML”, which implements a Non-Homogeneous model to take the heterogeneity of G+C content in nucleotide sequences among lineages in to account. We applied two approaches for parallel computing, OpenMP and MPI, into the algorithm for the calculation of the likelihood of a tree. From the analyses of simulated sequence datasets, this HYBRID version of NHML showed good parallel efficiency for the likelihood calculation of a tree until using 256 CPU cores. Moreover, we divided MPI communicator into several sub-communicators to conduct likelihood calculations of multiple trees in parallel. Consequently, we achieved the suitable performance of parallelization with more than 1024 CPU cores.

Non-Homogeneous置換モデルに基づく進化系統樹推測のMPI/OpenMP HYBRID並列化：大規模計算システム向けプログラムの開発と性能評価

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