FPGA implementation of exchange-correlation potential calculation for DFT

• Autorzy: Wielgosz M. , Jamro E. , Russek P. , Wiatr K.

Warianty tytułu

PL

Implementacja w układach FPGA operacji obliczania potencjału korelacyjno-wymiennego dla DFT

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Implementation results of the exchange-correlation module are presented in this paper. The authors have ported a computationally intensive part of quantum chemistry code to FPGA, which involved a substantial modification of its structure so that it matches the platform profile. Additionally, a set of the authors' customized modules for floating operations has been created along with software procedures handling FPGA-GPP intercommunication. Furthermore, several tests have been conducted to determine the speed-up achieved. Some more advanced computational cases have also been investigated to examine the module's performance increase with the number of atomic orbitals. The tests conducted for the orbital module revealed a significantly raised acceleration for higher atomic shells. This work also contains implementation results of the S matrix generation module, which are promising since the presented logic allows calculations to be conducted for 16 points simultaneously.

PL

W niniejszym artykule przedstawione zostały wyniki implementacji modułu obliczającego potencjał korelacyjno-wymienny dla procedury DFT. Autorzy zaimplementowali wymagające obliczeniowo fragmenty algorytmu DFT, co wiązało się ze znaczną modyfikacją algorytmu, tak by w pełni wykorzystać możliwości struktur rekonfigurowalnych. W konsekwencji powstał zestaw sprzętowych modułów zmiennoprzecinkowych oraz procedur zapewniających komunikacje pomiędzy częścią sprzętową oraz programowaną akceleratora. Przeprowadzone testy na platformie RASC wykazały przyspieszenie obliczeń wynoszące 3x dla modułu obliczającego wartość orbitalu atomowego w punkcie, natomiast większe przyspieszenie uzyskano dla jednostki realizujące obliczenia macierzy S.

Słowa kluczowe

EN

FPGA; quantum chemistry; custom computing; HPC; DFT

PL

akceleracja sprzętowa; komputery dużej mocy (HPC); HPC; FPGA; obliczenia zmiennoprzecinkowe; funkcja orbitalna; DFT

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Automatyka / Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
• Rocznik: 2011
• Tom: T. 15, z. 3
• Strony: 485--498
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Wielgosz M.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Electrical Engineering, Automatics, Computer Science and Electronics, Department of Electronics, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Jamro E.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Electrical Engineering, Automatics, Computer Science and Electronics, Department of Electronics, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Russek P.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Electrical Engineering, Automatics, Computer Science and Electronics, Department of Electronics, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Wiatr K.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Electrical Engineering, Automatics, Computer Science and Electronics, Department of Electronics, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] http://www.gaussian.com/.
• [2] http://www.msg.chem.iastate.edu/gamess/.
• [3] http://www.molpro.net/.
• [4] Gothandaraman A., Peterson G., Warren G., Hinde R., Harrison R., FPGA acceleration ofa ąuan-tum Monte Carlo application. Parallel Computing, 34(4-5), 2008, 278-291.
• [5] Gothandaraman A., Warren G., Peterson G., Harrison R., Reconfigurable acceleratorfor ąuantum Monte Carlo simulations in N-body systems. Proc. of the 2006 ACM/IEEE Conference on Super-computing (Tampa, Florida, November 11-17, 2006). SC '06. ACM, New York, NY, 177.
• [6] Ramdas T., Egan G.K., Abramson D., Baldridge K.K., On ERI Sorting for SIMD Execution of Large-Scale Hartree-Fock SCF. Computer Physics Communications, vol. 178, 2008, 817-834.
• [7] Ramdas T., Egan G., Abramson D., Baldridge K., Towards a special-purpose computer for Hartree-Fock computations. Theoretical Chemistry Accounts, vol. 120, 2007, 133-153.
• [8] Koch W., Holthausen M., A Chemists Guide to Density Functional Theory, Wiley-VCH. 2nd ed. (Aug. 21 2001).
• [9] Wielgosz M, Jamro E., Wiatr K., Highly Efficient Structure of 64-Bit Exponential Function Implemented in FPGAs. ARC 2008, Lecture Notes in Springer-Verlag, London LNCS 4943, 274-279.
• [10]Silicon Graphics, Inc. Reconfigurable Application-Specific Computing User's Guide, Ver. 005, January 2007, SGI.