Beschleunigung Hydrodynamischer Astrophysikalischer Simulationen mit FPGA-Basierten Rekonfigurierbaren Koprozessoren

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