Σχεδίαση και FPGA Υλοποίηση IP πυρήνων και SoCs για Παράλληλη Στοχαστική Προσομοίωση Βιολογικών Δικτύων

Η προσομοίωση ολόκληρου του κυττάρου αποτελεί μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις του 21ου αιώνα. Σε κυτταρικό επίπεδο ένα βιοχημικό σύστημα μπορεί να περιγράφεται από χιλιάδες αντιδράσεις όπου συμμετέχουν αλληλοεπιδρώντα μοριακά είδη. Ωστόσο τα σημερινά υπολογιστικά συστήματα αδυνατούν να διαχειριστούν αποδοτικά βιομοντέλα τέτοιας πολυπλοκότητας. Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση και ανάπτυξη ενός ενσωματωμένου υπολογιστικού συστήματος το οποίο θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη στοχαστική προσομοίωση βιομοντέλων χιλιάδων αντιδράσεων. Μέσω VHDL περιγραφών υλοποιήσαμε με FPGAs μια ευέλικτη πολυπύρηνη αρχιτεκτονική που στόχο έχει την παράλληλη εκτέλεση στοχαστικών προσομοιώσεων χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο του Gillespie, First Reaction Method. Η αρχιτεκτονική που αναπτύχθηκε έχει την μορφή "μαλακού πυρήνα" (soft IP core) και είναι πλήρως παραμετρική ως προς τα χαρακτηριστικά του βιομοντέλου αλλά και ως προς τη δέσμευση πόρων υλικού. Χρησιμοποιεί έναν υπολογιστή γενικού σκοπού για την επικοινωνία του χρήστη και υποστηρίζει προσομοιώσεις βιομοντέλων με έως 4Κ αντιδράσεις σε ένα μετρίου μεγέθους FPGA. Τέλος αποδεικνύεται ότι το σύστημα που αναπτύχθηκε λειτουργώντας στη συχνότητα των 220 MHz μπορεί να επιταχύνει την διαδικασία της προσομοίωσης έως και 17.6 φορές σε σύγκριση με τη σειριακή εκτέλεση του αλγορίθμου από δημοφιλή προγράμματα προσομοίωσης βιοχημικών δικτύων όπως το COPASI.Whole cell simulation is one of the greatest challenges of the 21st century. A biochemical system at the cellular level may involve thousands of reaction channels and molecular species. However at present, computational tools are unable to handle efficiently the simulation of biomodels of such a high complexity. In this thesis we designed and developed a System-on-Chip to simulate efficiently and stochastically biomodels with practically any number of reaction channels given an appropriate size FPGA. Using parametric VHDL descriptions we realized a flexible multicore architecture to perform in parallel stochastic simulations based on Gillespie’s First Reaction Method. Our MPSoC architecture is captured as a soft IP core that is fully parametric in terms of biomodel’s characteristics and hardware resources and serves as an accelerator to a general purpose PC, the front-end for user interaction. It supports the stochastic simulation of biochemical reaction networks with up to 4K reaction channels and molecular species using a medium-size FPGA. It is shown that the system when operating at 220 MHz can accelerate simulation by a factor of 17.6 compared to well-known serial software simulator COPASI running on a very fast compute server

Σχεδίαση Aρχιτεκτονικής SoC για τον FRM-SSA

Στην Ενότητα 2 παρουσιάζονται οι στοχαστικές μέθοδοι προσομοίωσης και αλγόριθμοι SSA και FRM-SSA του Gillespie. Στην Ενότητα 3 παρουσιάζονται αναλυτικά οι προδιαγραφές του συστήματος που υλοποιήθηκε, ο βαθμός παραμετροποίησης του καθώς και οι τρόποι λειτουργίας του. Στην Ενότητα 4 αναλύεται η αρχιτεκτονική FRM SoC σε επίπεδο συστήματος καθώς επίσης γίνεται και σύντομη αναφορά στο σύστημα επικοινωνίας υπολογιστή και συστήματος. Στην Ενότητα 5 παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική της επεξεργαστικής μονάδας (FRM Processing Unit - FPU) ενός SSA Core. Δίνεται έμφαση στη δίοδο δεδομένων της FPU ενώ περιγράφονται αναλυτικά και οι υπόλοιπες μονάδες που πλαισιώνουν τη δίοδο δεδομένων της FPU. Επιπλέον παρουσιάζεται και η θεωρητική μελέτη των επιδόσεων που έγινε κατά το σχεδιασμό. Στην Ενότητα 6 παρουσιάζονται τα στατιστικά αποτελέσματα που προέκυψαν από τη σύνθεση του συστήματος για διάφορους τρόπους λειτουργίας. Στην 7 και τελευταία ενότητα παρουσιάζονται πραγματικά αποτέλεσμα από δοκιμές του συστήματος με σκοπό την επικύρωση της σχεδίασης. Για αυτό το λόγο γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων με τα αποτελέσματα γνωστών πλατφόρμων προσομοίωσης

Survey of FPGA applications in the period 2000 – 2015 (Technical Report)

Romoth J, Porrmann M, Rückert U. Survey of FPGA applications in the period 2000 – 2015 (Technical Report).; 2017.Since their introduction, FPGAs can be seen in more and more different fields of applications. The key advantage is the combination of software-like flexibility with the performance otherwise common to hardware. Nevertheless, every application field introduces special requirements to the used computational architecture. This paper provides an overview of the different topics FPGAs have been used for in the last 15 years of research and why they have been chosen over other processing units like e.g. CPUs

Απεικόνιση Αλγορίθμων Στοχαστικής Προσομοίωσης σε Πολυ-Πύρηνη Αρχιτεκτονική NoC

Σε αυτή τη Τεχνική Αναφορά παρουσιάζουμε τη σχεδίαση ενός πλήρως παραμετροποιημένου πλαισίου λογισμικού προσομοίωσης (simulation framework) που μπορεί εύκολα να προσαρμοστεί και να παράξει παράλληλο λογισμικό τύπου SPMD (single processor multiple data) για στοχαστικές προσομοιώσεις σε ποικιλία υποκείμενων many-core αλλά και multi-core επεξεργαστών. Πρώτος μας στόχος ήταν η υλοποίηση και δοκιμή παράλληλου λογισμικού στην επεξεργαστική μονάδα Single-chip Cloud Computer (SCC) της Intel [13] μια πειραματική CPU με 48 πυρήνες διατεταγμένους σε δίκτυο τύπου πλέγματος (mesh-type Network On Chip). Ο επεξεργαστής SCC παρέχεται από τα Intel Labs στην επιστημονική κοινότητα ως ένα σύστημα για έρευνα και μελέτη της αναμενόμενης συμπεριφοράς του υλικού και του λογισμικού των νέων many-core CPUs τύπου NoC, με δεκάδες πυρήνες. Επιλέξαμε αυτή τη CPU ως πρώτο στόχο για το λογισμικό μας λόγω της μαζικά παράλληλης αρχιτεκτονικής της, που σε αντίθεση με τα FPGAs και τα GPUs, μπορεί να αξιοποιηθεί χρησιμοποιώντας ευρέως καθιερωμένα μοντέλα και τεχνικές παράλληλου προγραμματισμού. Χρησιμοποιήσαμε το πλαίσιο που αναπτύξαμε για να παραλληλοποιήσουμε τους δημοφιλείς αλγόριθμους FRM-SSA και NRM-SSA έτσι ώστε να μπορεί να εκτελεστεί αποδοτικά στην Intel SCC CPU. Αποδείξαμε ότι σημαντική επιτάχυνση (speedup) μπορεί να επιτευχθεί με αποδοτική χρήση των πολλαπλών πυρήνων που διαθέτει αυτός ο many-cores επεξεργαστής. Aπ'όσο είμαστε σε θέση να γνωρίζουμε, αυτή είναι η πρώτη παράλληλη υλοποίηση SSA αλγορίθμων για επεξεργαστές αρχιτεκτονικής NoC many-cores στη βιβλιογραφία. Η επεκτασιμότητα που παρέχει η αύξηση των πυρήνων μπορεί να καταστήσει τη λύση του παράλληλου λογισμικού ανταγωνιστική σε σχέση με τις λιγότερο ευέλικτες υλοποιήσεις υλικού ειδικού σκοπού, με βάση τα FPGAs και τα GPUs. Επιπλέον, το λογισμικό μας μπορεί εύκολα να επεκταθεί και να συμπεριλάβει και άλλους αλγόριθμους SSA αλλά και να στοχεύσει και σε άλλες αρχιτεκτονικές, όπως π.χ. οι πολυπήρινοι επεξεργαστές κοινόχρηστης μνήμης (shared memory multi-core CPUs), όπως π.χ. ο δημοφιλής Intel core i7 κ. α

Virginia Commonwealth University Bulletin All Courses

Listing of undergraduate, professional, and graduate courses for 2006-2007