مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

ارزیابی قابلیت سخت‌افزار FPGA به‌عنوان راهکاری جدید در تسریع محاسبات عددی حل مساله لاپلاس

نویسندگان
1 استادیار دانشکده مهندسی هوافضای دانشگاه شریف
2 دانشجو
چکیده
امروزه کاهش زمان محاسبات عددی از چالش‌های اصلی در شبیه‌سازی مسایل واقعی سیالاتی به‌شمار می‌رود. حل عددی معادلات دیفرانسیل در بستر سخت‌افزارهای سنتی مانند سی.پی.یو و جی.پی.یو. براساس پیاده‌سازی نرم‌افزاری هستند. در این مقاله قابلیت سخت‌افزار اف.پی.جی.ای به‌عنوان راهکاری جدید برای حل عددی معادلات دیفرانسیل در دینامیک سیالات محاسباتی ارزیابی شده‌است. سخت‌افزاری اف.پی.جی.ای می‌تواند حل معادلات را از حالت سری خارج کرده و موازی‌سازی آن‌ها را براساس پیاده‌سازی سخت‌افزاری انجام ‌دهد. اف.پی.جی.ای یک مدار تجمعی از بلوک‌های منطقی است و طراحی آن به شکلی انجام شده است که ساختار آن (عملکرد بلوک‌های منطقی و اتصالات و سیم‌کشی بین آن‌ها) بعد از تولید سخت‌افزار، قابل پیکربندی دوباره است. به این ترتیب می‌توان مدار‌های بسیار پیچیده را با استفاده از برنامه‌ریزی این سخت‌افزار با اهداف مختلف تولید کرد. برای قابلیت‌سنجی این سخت‌افزار، حل عددی معادله لاپلاس به‌عنوان نمونه‌ای از مسایل سیالاتی روی یک اف.پی.جی.ای خاص پیاده‌سازی شده و نتایج حل عددی آن با نتایج گرفته‌شده از برنامه‌ی کامپیوتری روی سی.پی.یو مقایسه شده‌است. نتایج محاسبات حاکی از تسریع حدود چهار برابر برای دقت مضاعف و تسریع تا بیست برابر برای دقت تکی در مقایسه با حل روی سخت‌افزار سی.پی.یو است به‌گونه‌ای که دقت حل نیز کاهش پیدا نکرده است. برای تعیین درستی نتایج از نظر زمان و دقت، از حل‌های عددی و تحلیلی مختلفی استفاده شده است.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Evaluation of FPGA hardware as a new approach for accelerating the numerical solution of the Laplace problem

نویسندگان English

Abbas Ebrahimi 1
Mohammad Zandsalimy 2
چکیده English

Nowadays one of the main challenges facing fluid dynamics simulations is the long duration of numerical calculations. Mathematical operations in numerical solution of differential equations using traditional hardware such as CPU, are done in a series of orderly calculations and therefore take a lot of time to complete. A new solution procedure for numerical calculations is presented using FPGA (Field Programmable Gate Arrays) hardware, which will enable parallel processing inside the hardware. The main goal of this research is to use FPGAs instead of CPUs for numerical solution of the Laplace equation and therefore to accelerate its solution. FPGA is an integrated circuit containing a number of logic blocks. The architecture of this hardware can be reprogrammed and configured after manufacturing. So, it's possible to design and implement complex circuits for various applications using an FPGA. In the present research, first, the ability of FPGAs in mathematical operations on floating point numbers is studied. Then, the Laplace problem is implemented and solved numerically on a specific FPGA hardware using different mesh size and numerical methods. The time duration and precision results of the calculations are compared to the results from a CPU. The calculation procedure on the FPGA is up to twenty times faster than a conventional CPU, with the same data precision. Several numerical and analytical solutions are used to validate the results.

کلیدواژه‌ها English

FPGA
CFD
Reconfigurable Hardware
Hardware Definition Language
Accelerating Numerical Solutions