Food profiling is an essential step in any food monitoring system needed to prevent health risks and potential frauds in the food industry. Significant improvements in sequencing technologies are pushing food profiling to become the main computational bottleneck. State-of-the-art profilers are unfortunately too costly for food profiling. Our goal is to design a food profiler that solves the main limitations of existing profilers, namely (1) working on massive data structures and (2) incurring considerable data movement, for a real-time monitoring system. To this end, we propose Demeter, the first platform-independent framework for food profiling. Demeter overcomes the first limitation through the use of hyperdimensional computing (HDC) and efficiently performs the accurate few-species classification required in food profiling. We overcome the second limitation by the use of an in-memory hardware accelerator for Demeter (named Acc-Demeter) based on memristor devices. Acc-Demeter actualizes several domain-specific optimizations and exploits the inherent characteristics of memristors to improve the overall performance and energy consumption of Acc-Demeter. We compare Demeter's accuracy with other industrial food profilers using detailed software modeling. We synthesize Acc-Demeter's required hardware using UMC's 65nm library by considering an accurate PCM model based on silicon-based prototypes. Our evaluations demonstrate that Acc-Demeter achieves a (1) throughput improvement of 192x and 724x and (2) memory reduction of 36x and 33x compared to Kraken2 and MetaCache (2 state-of-the-art profilers), respectively, on typical food-related databases. Demeter maintains an acceptable profiling accuracy (within 2% of existing tools) and incurs a very low area overhead.


翻译:食品特征分析是防止食品行业健康风险和潜在欺诈所需的任何食品监测系统的必要步骤; 食品特征分析是食品行业中任何防止健康风险和潜在欺诈所需的任何食品监测系统的一个必要步骤; 技术排序方面的重大改进正在推动食品特征分析成为主要的计算瓶颈; 不幸的是,食品状况剖析仪对食品特征分析来说成本过高; 我们的目标是设计一个食品特征分析仪,解决现有剖析仪的主要局限性,即(1) 致力于大规模数据结构和(2) 大量数据流动,用于实时监测系统。 为此,我们提议Demet,这是第一个以平台为主的食品特征分析框架。 德米特通过使用超度计算(HDHC),克服了第一个限制,并高效地完成了食品特征分析中所需的准确的几分级分类。 我们通过使用基于记忆仪装置的模拟硬件(Acc-Demeter), 将目前基于地标的模型(Determal) 改进了当前地平价工具的内在特征,改进了Acc-Demoteral(2) 并用我们的数据模型的精确度评估了Demars 。

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