論文 - 舟橋　啓

Physiological intracellular crowdedness is defined by the perimeter-to-area ratio of sub-cellular compartments

Hiroi Noriko, Okuhara Takahiro, Kubojima Takeshi, Iba Keisuke, Tabira Akito, Yamashita Shuji, Okada Yasunori, Kobayashi Tetsuya J., Funahashi Akira

FRONTIERS IN PHYSIOLOGY （Frontiers Media SA）  3   293 2012年07月

研究論文（学術雑誌）, 共著, 査読有り,  ISSN  1664-042X

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From microscopy data to in silico environments for in vivo-oriented simulations.

Hiroi1 N, Klann M, Iba K, Heras Ciechomski Pd, Yamashita S, Tabira A, Okuhara T, Kubojima T, Okada Y, Oka K, Mange R, Unger M, Funahashi A, Koeppl H

EURASIP journal on bioinformatics & systems biology （Springer International Publishing AG）  2012 （ 1 ） 7 2012年

研究論文（学術雑誌）, 共著, 査読有り,  ISSN  1687-4145

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BioPAX support in CellDesigner

Mi Huaiyu, Muruganujan Anushya, Demir Emek, Matsuoka Yukiko, Funahashi Akira, Kitano Hiroaki, Thomas Paul D.

BIOINFORMATICS 27 （ 24 ） 3437 - 3438 2011年12月

研究論文（学術雑誌）, 共著, 査読有り,  ISSN  1367-4803

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Physiological environment induces quick response–slow exhaustion reactions

N Hiroi, J Lu, K Iba, A Tabira, S Yamashita, Y Okada, F Christoph, K Oka, ...

Frontiers in Physiology 2, 50 （Frontiers Media SA）  2   50 2011年09月

研究論文（学術雑誌）, 共著, 査読有り,  ISSN  1664-042X

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In vivo environments are highly crowded and inhomogeneous, which may affect reaction processes in cells. In this study we examined the effects of intracellular crowding and an inhomogeneity on the behavior of in vivo reactions by calculating the spectral dimension (d(s)), which can be translated into the reaction rate function. We compared estimates of anomaly parameters obtained from fluorescence correlation spectroscopy (FCS) data with fractal dimensions derived from transmission electron microscopy (TEM) image analysis. FCS analysis indicated that the anomalous property was linked to physiological structure. Subsequent TEM analysis provided an in vivo illustration; soluble molecules likely percolate between intracellular clusters, which are constructed in a self-organizing manner. We estimated a cytoplasmic spectral dimension d(s) to be 1.39 +/- 0.084. This result suggests that in vivo reactions initially run faster than the same reactions in a homogeneous space; this conclusion is consistent with the anomalous character indicated by FCS analysis. We further showed that these results were compatible with our Monte-Carlo simulation in which the anomalous behavior of mobile molecules correlates with the intracellular environment, leading to description as a percolation cluster, as demonstrated using TEM analysis. We confirmed by the simulation that the above-mentioned in vivo like properties are different from those of homogeneously concentrated environments. Additionally, simulation results indicated that crowding level of an environment might affect diffusion rate of reactant. Such knowledge of the spatial information enables us to construct realistic models for in vivo diffusion and reaction systems.

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The DBCLS BioHackathon: standardization and interoperability for bioinformatics web services and workflows

T Katayama, K Arakawa, M Nakao, K Ono, KF Aoki-Kinoshita, ...

Journal of biomedical semantics 1 (1), 8 （BioMed Central）  1 （ 1 ） 1 - 19 2010年12月

研究論文（学術雑誌）, 共著, 査読有り

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A datapath classification method for FPGA-based scientific application accelerator systems

Y Ogawa, T Ooya, Y Osana, M Yoshimi, Y Nishikawa, A Funahashi, ...

2010 International Conference on Field-Programmable Technology, 441-444 （IEEE）     441 - 444 2010年12月

研究論文（国際会議プロシーディングス）, 共著, 査読有り

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Resource reduction design techniques play an important role to implement large-scale FPGA-based accelerator systems in floating point applications since available resources on FPGAs are limited. This paper proposes a dataflow graph classification method which makes groups of graphs based on their similarity in order to bring out efficient graph combining. Aiming at finding effective parameters for the k-means algorithm, various parameter combinations are evaluated and compared in terms of resource reduction effects and performance. The experimental results using an FPGA-based biochemical simulator reveal that the graph clustering that uses information on the maximum common subgraphs achieve 73.3% of resource reduction rate while alleviating the performance degradation. © 2010 IEEE.

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細胞シミュレータCellDesignerの設計と実装

舟橋 啓, 松岡 由希子, 上樂 明也, 瀧沢 大夢, 広井 賀子, Samik Ghosh, 菊池 紀広, 北野 宏明

計測と制御 （公益社団法人 計測自動制御学会）  49 （ 8 ） 531 - 536 2010年08月

共著, 査読有り,  ISSN  04534662

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Automatic Pipeline Construction Focused on Similarity of Rate Law Functions for an FPGA-based Biochemical Simulator

Hideki Yamada, Yui Ogawa, Tomonori Ooya, Tomoya Ishimori, Yasunori Osana, Masato Yoshimi, Yuri Nishikawa, Akira Funahashi, Noriko Hiroi, Hideharu Amano, Yuichiro Shibata, Kiyoshi Oguri

IPSJ Transactions on System LSI Design Methodology （一般社団法人情報処理学会）  3 （ 3 ） 244 - 256 2010年08月

研究論文（学術雑誌）, 共著, 査読有り,  ISSN  1882-6687

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For FPGA-based scientific simulation systems, hardware design technique that can reduce required amount of hardware resources is a key issue, since the size of simulation target is often limited by the size of the FPGA. Focusing on FPGA-based biochemical simulation, this paper proposes hardware design methodology which finds and combines common datapath for similar rate law functions appeared in simulation target models, so as to generate area-effective pipelined hardware modules. In addition, similarity-based clustering techniques of rate law functions are also presented in order to alleviate negative effects on performance for combined pipelines. Empirical evaluation with a practical biochemical model reveals that our method enables the simulation with 66% of the original hardware resources at a reasonable cost of 20% performance overhead.

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• CiNii Research

A Modular Approach to Heterogeneous Biochemical Model Simulation on an FPGA

Yamada Hideki, Osana Yasunori, Ishimori Tomoya, Ooya Tomonori, Yoshimi Masato, Nishikawa Yuri, Funahashi Akira, Hiroi Noriko, Amano Hideharu, Shibata Yuichiro, Oguri Kiyoshi

2009 INTERNATIONAL CONFERENCE ON RECONFIGURABLE COMPUTING AND FPGAS （IEEE）     125 - 130 2009年12月

研究論文（国際会議プロシーディングス）, 共著, 査読有り,  ISSN  978-1-4244-5293-4

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CONFIGURING AREA AND PERFORMANCE: EMPIRICAL EVALUATION ON AN FPGA-BASED BIOCHEMICAL SIMULATOR

Ooya T., Yamada H., Ishimori T., Shibata Y., Osana Y., Oguri K., Yoshimi M., Nishikawa Y., Funahashi A., Hiroi N., Amano H.

FPL: 2009 INTERNATIONAL CONFERENCE ON FIELD PROGRAMMABLE LOGIC AND APPLICATIONS （IEEE）     679 - 682 2009年08月

研究論文（国際会議プロシーディングス）, 共著, 査読有り,  ISSN  1946-1488

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One of the obvious advantages of FPGA-based reconfigurable computing is customizability of a tradeoff point between performance and hardware costs. However, this tradeoff has rarely been discussed in a whole application level, which is the most important view for application users. This paper presents empirical evaluation of a hardware module sharing technique which can shift a tradeoff point of area and performance on an FPGA-based biochemical simulator. The biochemical simulation results are discussed in terms of hardware costs, simulation throughput, parallelism extracted in simulation hardware, and data transfer overheads.

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FPGAを用いた生化学シミュレータにおける入力ポート制約を考慮した演算パイプラインスケジューリング

石森 智也, 山田 英樹, 柴田 裕一郎, 長名 保範, 吉見 真聡, 西川 由理, 小嶋 利紀, 天野 英晴, 舟橋 啓, 広井 賀子, 小栗 清

電子情報通信学会技術研究報告. RECONF, リコンフィギャラブルシステム : IEICE technical report （一般社団法人電子情報通信学会）  5453 （ 2009 ） 368 - 373 2009年03月

研究論文（国際会議プロシーディングス）, 共著, 査読有り,  ISSN  978-3-642-00640-1

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FPGAベースの生化学シミュレータでは,デバイスの資源制約を考慮した高スループットな回路設計が重要である.本稿では,データの入力ポートの制約とハードウェアコストの削減を考慮した演算パイプラインスケジューリング手法を提案する.入力データの優先付けを工夫して,優先順位にしたがって投入タイミングを決定することで,スケジューリングへの影響を小さくする方法を提案する.評価の結果,ALAPスケジューリングと比較して平均7.6%のハードウェア量を削減することができた.

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3P-239 分子クラウディング効果が細胞内化学反応に及ぼす影響(数理生物学,第47回日本生物物理学会年会)

K Yashima, N Hiroi, A Funahashi, K Oka

生物物理 （一般社団法人 日本生物物理学会）  49 （ supplement ） S191 2009年

共著, 査読有り,  ISSN  05824052

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FPGAを用いた高スループット確率モデル生化学シミュレータの設計と評価

吉見 真聡、西川 由理、長名 保範、舟橋 啓、広井 賀子、柴田 裕一郎、山田 英樹、北野 宏明、天野 英晴

情報処理学会論文誌: コンピュータシステム （情報処理学会）  1 （ 3 ） 120-135 - 135 2008年12月

研究論文（学術雑誌）, 共著, 査読有り,  ISSN  1882-7829

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確率モデル生化学シミュレーションアルゴリズム（SSA）は，生化学モデルの確率的挙動を厳密に計算できる手法として知られている．しかしその一方で，SSAを用いてモデルを評価するためには，膨大な回数の演算が繰り返されるので，高スループットな実行環境が求められている．本論文では，FPGAを用いて計算効率の良いSSAであるNext Reaction Method（NRM）を高スループットに実行するハードウェアの構造について述べ，性能評価を行う．このハードウェアは，シミュレーションスレッドの状態を保持するスレッドモジュールが，データ転送網を介して算術演算器やデータメモリを共有する構造を持ち，マルチスレッド実行を行う．また，モジュール間の接続を変更することで，特定のFPGAに限定されない構成の変更が可能である．ミドルレンジのFPGA上に構成することを想定して16スレッドの並列実行を行うハードウェアを実装し，評価用によく利用されるHSRモデルによるRTLシミュレーションを通してスループットを計測した結果，Core 2 Quad Q6600 2.40 GHzのシングルスレッド実行と比べて約4.2倍，HSRを並べて作成した反応数の多い仮想のモデルでは約5.4倍のスループットの向上が可能であることを確認した．Stochastic biochemical simulation algorithms (SSAs) are generally known as exact methods to trace stochastic behaviors of target biochemical models. Due to vast amount of computation attributed to the nature of Monte Carlo Method, which SSAs are originated from, there is a strong urge for high-throughput execution environment. This paper proposes an FPGA implementation of a stochastic simulation system based on a computationally-efficient SSA called the Next Reaction Method, and studies the evaluation results of area and throughput in detail. The system conducts high-throughput multi-thread execution, using multiple thread modules accessing shared arithmetic and data modules. The network between modules are configurable, and supports flexible network structure according to target FPGAs. In order to evaluate the proposed design, the stochastic simulation system, which is capable of running 16 threads in parallel, was implemented on a middle-range FPGA. As the result of comparing the throughput in RTL simulation with software simulation run on Core 2 Quad Q6600, the system marked 4.2 times higher throughput using a real biochemical model called HSR. When several versions of virtually largescale models were tested on the same simulation environment, maximum of 5.4 times higher throughput was confirmed.

PRACTICAL IMPLEMENTATION OF A NETWORK-BASED STOCHASTIC BIOCHEMICAL SIMULATION SYSTEM ON AN FPGA

Yoshimi Masato, Nishikawa Yuri, Osana Yasunori, Funahashi Akira, Hiroi Noriko, Shibata Yuichiro, Yamada Hideki, Kitano Hiroaki, Amano Hideharu

2008 INTERNATIONAL CONFERENCE ON FIELD PROGRAMMABLE AND LOGIC APPLICATIONS, VOLS 1 AND 2 （IEEE）     663 - 666 2008年09月

研究論文（国際会議プロシーディングス）, 共著, 査読有り,  ISSN  978-1-4244-1960-9

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FPGA上でのシミュレーションに向けた生化学コンパイラの実装

岩岡 洋, 長名 保範, 吉見 真聡, 西川 由理, 小嶋 利紀, 舟橋 啓, 広井 賀子, 柴田 裕一郎, 岩永 直樹, 北野 宏明, 天野 英晴

電子情報通信学会論文誌 D J91-D （ 9 ） 2205-2216 2008年09月

研究論文（学術雑誌）, 単著, 査読有り

CellDesigner 3.5: A versatile modeling tool for biochemical networks

舟橋 啓, 松岡 由季子, 上樂 明也, 諸橋 峰雄, 菊池 紀広, 北野 宏明

PROCEEDINGS OF THE IEEE 96 （ 8 ） 1254-1265 - 1265 2008年08月

研究論文（学術雑誌）, 共著, 査読有り,  ISSN  0018-9219

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A framework for implementing a network-based stochastic biochemical simula tor on an FPGA

Yoshimi Masato, Nishikawa Yuri, Kojima Toshinori, Osana Yasunori, Funahashi Akira, Hiroi Noriko, Shibata Yuichiro, Yamada Hideki, Kitano Hiroaki, Amano Hideharu

ICFPT 2007: INTERNATIONAL CONFERENCE ON FIELD-PROGRAMMABLE TECHNOLOGY, PROCEEDINGS （IEEE）     193 - 200 2007年12月

研究論文（国際会議プロシーディングス）, 共著, 査読有り,  ISSN  978-1-4244-1471-0

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Deduction of intracellular sub-systems from a topological description of the network.

NORDLING Torbjorn, HIROI, Noriko, FUNAHASHI Akira and KITANO Hiroaki

Molecular Biosystems 3 （ 8 ） 523-529 2007年08月

研究論文（学術雑誌）, 共著, 査読有り

A combining technique of rate law functions for a cost-effective reconfigurable biological simulator

H Yamada, N Iwanaga, Y Shibata, Y Osana, M Yoshimi, Y Iwaoka, ...

2007 International Conference on Field Programmable Logic and Applications … （IEEE）     808 - 811 2007年08月

研究論文（国際会議プロシーディングス）, 共著, 査読有り,  ISSN  1946-1488

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In order to simulate large scale biological models with a reconfigurable FPGA-based biochemical simulator system, reduction of required resources are essential. This paper proposes a method which combines common terms in rate law functions appeared in biochemical models and generates a shared hardware module used for numerical integration. In this approach, two functions are combined in a tree structure level, followed by pipeline scheduling and arithmetic module binding. The evaluation result reveals that this approach reduces hardware resources by 31.4 % on average at the cost of 14.4 % throughput degradation.

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FPGA implementation of a data-driven stochastic biochemical simulator with the next reaction method

Yoshimi Masato, Iwaoka Yow, Nishikawa Yuri, Kojima Toshinori, Osana Yastmori, Funahashi Akira, Hiroi Noriko, Shibata Yuichiro, Iwanaga Naoki, Kitano Hiroaki, Amano Hideharu

2007 INTERNATIONAL CONFERENCE ON FIELD PROGRAMMABLE LOGIC AND APPLICATIONS, PROCEEDINGS, VOLS 1 AND 2 （IEEE）     254 - 259 2007年08月

研究論文（国際会議プロシーディングス）, 共著, 査読有り,  ISSN  978-1-4244-1059-0