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Acceleration of Astrophysical Simulations with Special Hardware

Marcus Martinez, Guillermo Anibal

German Title: Beschleunigung astrophysikalischer Simulationen mit spezieller Hardware

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Abstract

This work presents the raceSPH and raceGRAV accelerator libraries, designed to interface astrophysical simulations with special-purpose hardware. The raceSPH focuses on the acceleration of Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), a method for approximating force interactions in fluid dynamics. Accelerators used range from vectorizing units on the microprocessors to Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) and Graphics Processing Units (GPUs), and speed-ups range from 1.2x to 28x when measured in a synthetic benchmark and from 6x to 19x when used inside astrophysical simulations, for a total wallclock time speed-up of 1.6x to 2.4x, close to the theoretical maximum of 2.5x. The raceGRAV library computes gravitational force with high accuracy and is designed to complement the GRAPE accelerator. In direct summation tests, it provides performance on par with vectorizing units of the processor and comparable to the GRAPE-6 when normalized against number of pipelines. For the development of these libraries, a set of supporting modules were developed, including a PCI driver for modern Linux kernel versions, an MPRACE library for the communication with FPGA boards and a bu er management library for the efficient handling of data transfers.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit werden die raceSPH- und raceGRAV-Beschleunigungs-Bibliotheken vorgestellt, die eine Anbindung astrophysikalischer Simulationen an Spezialhardware ermöglicht. Die raceSPH-Bibliothek dient der Beschleunigung von 'Smoothed Particle Hydrodynamics' (SPH), einer Methode zur Bestimmung hydrodynamischer Kräfteinteraktionen. Untersucht wurde die Verwendung von Vector-Einheiten in Mikroprozessoren, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) und Gra kkarten (GPUs). In synthetischen Messungen wurden Beschleunigungsfaktoren von 1,2 bis 28 erreicht, in astrophyikalischen Simulationen von 6 bis 19. Für die gesamte Berechnung wurden Beschleunigungsfaktoren von 1,6 bis 2,4 erreicht, die nahe an dem theoretisch erreichbaren Faktor 2,5 liegen. Die raceGRAV-Bibliothek dient der exakten Berechnung von Gravitationskräften und wurde entworfen, um den GRAPE-Beschleuniger zu ergänzen. Bei direkter Aufsummierung ist die Performance gleich auf mit den Vector-Einheiten der CPU und bei Normierung auf die Anzahl der Pipelines vergleichbar mit GRAPE-6. Für die Entwicklung dieser Bibliotheken wurde eine Reihe zusätzlicher Module entwickelt, wie bspw. ein PCI-Treiber für aktuelle Linux-Kernel, eine MPRACE-Bibliothek zur Kommunikation mit FPGA-Karten und eine Bu er-Management-Bibliothek, die ef ziente Datentransfers ermöglicht.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Männer, Prof. Dr. Reinhard
Date of thesis defense: 27 January 2011
Date Deposited: 22 Mar 2011 13:29
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > Institut f. Technische Informatik (ZITI)
Subjects: 004 Data processing Computer science
Controlled Keywords: Field programmable gate array, Smoothed Particle Hydrodynamics, Astrophysik, Computersimulation, Direkte numerische Simulation
Uncontrolled Keywords: GPU , GPGPUGPU , GPGPU
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