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Beschleunigung Hydrodynamischer Astrophysikalischer Simulationen mit FPGA-Basierten Rekonfigurierbaren Koprozessoren

Lienhart, Gerhard

English Title: Acceleration of Astrophysical Hydrodynamics Simulations with FPGA-Based Reconfigurable Coprocessors

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PDF, German
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Abstract

Diese Dissertation befasst sich mit der Anwendung rekonfigurierbarer Koprozessoren zur Beschleunigung astrophysikalischer Simulationsalgorithmen, ausgehend von einer hybriden Plattform aus Standardrechner und einem Rechenbeschleuniger für die Gravitationssimulation (GRAPE). Für Simulationen, die eine Berücksichtigung der Hydrodynamik erforderlich machen, schränkt die dazu eingesetzte Simulationsmethode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) die erzielbare Rechenleistung des Gesamtsystems stark ein. Es wurde der Ansatz verfolgt, durch den Einsatz einer FPGA-basierten Koprozessorplattform das SPH-Verfahren zu beschleunigen. Analysen der Simulationscodes ergaben, dass die SPH-Berechnungen unter Verwendung von Gleitkommazahlen mit 16 Mantissenbits ausreichend genau sind. Um den Ansatz zu realisieren, wurde ein FPGA-Koprozessor in Form einer PCI-Einsteckkarte verwendet, ausgestattet mit einem modernen Virtex-II-3000-FPGA von Xilinx. Es wurden FPGA-Designs entwickelt, welche für die umfangreichen aber einfach strukturierten SPH-Berechnungen bei ausreichend hoher Rechengenauigkeit eine Rechenleistung von über 3 GFlops erreichen. Dazu wurde eine Bibliothek arithmetischer Module für die rekonfigurierbare Logik entwickelt. Alle Module sind bezüglich der Rechengenauigkeit parametrisiert, und es wurden für verschiedene numerische Randbedingungen spezialisierte Operatoren entwickelt. Damit konnten optimal an die Problemstellung angepasste Rechenwerke in Form einer Pipeline aufgebaut werden. Für die SPH-Pipelines konnten 50-60 Gleitkommaoperationen unter Aufwendung von etwa 50 % der FPGA-Ressourcen implementiert werden, mit einer resultierenden Geschwindigkeit von 66 MHz. Die Schaltungen sind in der Lage, die Berechnungen synchron zur maximalen Datenrate von Speicher und PCI-Interface durchführen. Um das Beschleunigungspotential (etwa Faktor 10) effektiv auszuschöpfen, wird eine tiefgehende Umstrukturierung des Simulationsalgorithmus erforderlich, was Gegenstand der weiteren Forschung sein wird.

Translation of abstract (English)

This dissertation deals with the application of reconfigurable coprocessors for accelerating astrophysical simulation systems, where a simulation system consisting of a host workstation and an accelerator platform for the gravity part of the simulation (i.e. GRAPE) was presumed as given. For simulation algorithms which also deal with hydrodynamics, it shows, that the method of smoothed particles hydrodynamics (SPH) which is usually used for this purpose causes a bottleneck for the overall performance of the system. Therefore the approach was chosen to accelerate the time-critical calculation steps of SPH by an FPGA-based coprocessor. By studying the astrophysical code it was shown, that calculations based on floating-point numbers with 16 mantissa bits lead to a sufficient precision for SPH. To realize the accelerator a PCI-based FPGA-coprocessor featuring a modern Xilinx Virtex-II-3000 FPGA was used. FPGA designs were developed which are able to deal with the extensive but simple structured SPH calculations at sufficient precision. With these designs a performance of more than 3 GFlops has been achieved. For the arithmetics a library of modules parameterized in precision and specialized for different numerical situations has been developed. With this library it was possible to synthesize calculation units as a pipeline, optimally matched for the problem. The SPH pipelines, consisting of 50 to 60 operators, were successfully implemented in about 50 % of the FPGA resources with a resulting speed of 66 MHz. The design is able to perform the calculations synchronously with the data rate of the PCI bus and memory. A Speedup of 10 for SPH seems within reach, but for efficient utilization of the calculation power a deep re-design of the simulation algorithm will be necessary which is subject to further research.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Männer, Prof. Dr. Reinhard
Date of thesis defense: 19. July 2004
Date Deposited: 23. Aug 2004 10:36
Date: 2004
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Field programmable gate array, Astrophysik, Computersimulation, Smoothed Particle Hydrodynamics, Beschleunigerkarte
Uncontrolled Keywords: Rechenbeschleuniger
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