Acceleration of astrophysical simulations with special hardware [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Guillermo Aníbal Marcus Martínez

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• Publié par: ruprecht-karls-universitat_heidelberg
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 53
• Langue: Deutsch
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Extrait

INAUGURAL - DISSERTATION
zur
Erlangung der Doktorwurde
der
Naturwissenschaftlich-Mathematischen Gesamtfakultat
der
Rupert - Karls - Universitat
Heidelberg
vorgelegt von
M.Sc. Guillermo Anbal Marcus Mart nez
aus Buenos Aires, Argentina
Tag der mundlichen Prufung: 27.01.2011 Acceleration of Astrophysical Simulations with
Special Hardware
Gutachter: Prof. Dr. Reinhard Manner
Zweiterhter: Prof. Dr. Ralf KlessenTo my familyZusammenfassung
In dieser Arbeit werden die raceSPH- und raceGRAV-Beschleunigungs-Bibliotheken
vorgestellt, die eine Anbindung astrophysikalischer Simulationen an Spezialhardware
ermoglic ht.
Die raceSPH-Bibliothek dient der Beschleunigung von ’Smoothed Particle Hydrody-
namics’ (SPH), einer Methode zur Bestimmung hydrodynamischer Kraftein teraktionen.
Untersucht wurde die Verwendung von Vector-Einheiten in Mikroprozessoren, Field
Programmable Gate Arrays (FPGAs) und Gra kkarten (GPUs). In synthetischen Mes-
sungen wurden Beschleunigungsfaktoren von 1,2 bis 28 erreicht, in astrophyikalischen
Simulationen von 6 bis 19. Fur die gesamte Berechnung wurden Beschleunigungsfak-
toren 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 Gravitationskraften
und wurde entworfen, um den GRAPE-Beschleuniger zu erganzen. Bei direkter Auf-
summierung ist die Performance gleich auf mit den Vector-Einheiten der CPU und bei
Normierung auf die Anzahl der Pipelines vergleichbar mit GRAPE-6.
Fur die Entwicklung dieser Bibliotheken wurde eine Reihe zusatzlicher Module en-
twickelt, wie bspw. ein PCI-Treiber fur aktuelle Linux-Kernel, eine MPRACE-Bibliothek
zur Kommunikation mit FPGA-Karten und eine Bu er-Management-Bibliothek, die ef-
ziente Datentransfers erm oglicht.Abstract
This work presents the raceSPH and raceGRAV accelerator libraries, designed to in-
terface astrophysical simulations with special-purpose hardware. The raceSPH focuses
on the acceleration of Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), a method for approx-
imating force interactions in uid dynamics. Accelerators used range from vectorizing
units on the microprocessors to Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) and Graph-
ics 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 de-
signed 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 e cient
handling of data transfers.