PMEMD-HW: simulação por dinâmica molecular usando hardware reconfigurável

Abstract

Molecular dynamics systems are defined by the position and energy of their component particles, as well as by the interactions among these. Such systems can be simulated through mathematical methods like the computation of electrostatic forces based on the Coulomb Law. Predicting the states through which such system evolves by computing the interaction of each particle with its neighbors is a computationally costly task, even for a small number of particles. Thus, it can only be beneficial to apply specific techniques for accelerating these computations. While some studies propose the use of new algorithms, others advocate the use of specific processors or custom designed hardware, the later being the technique employed in this Dissertation. This work describes the design and prototyping of a hardware architecture that has the potential to accelerate an application based on the computation of electrostatic forces among non-bonded particles. A special emphasis is given to the aspects of integration between the accelerating hardware and the modified target application, the PMEMD (Particle Mesh Ewald Molecular Dynamics) software, part of the AMBER (Assisted Model Building with Energy Refinement) platform. The costliest computations of PMEMD were identified and moved to an FPGA hardware implementation, creating a custom coprocessor – PMEMD-HW. The choice for reconfigurable hardware is due, among other reasons, to the ease with which it enables the evolution of the design towards the target acceleration. The main contribution of this work is the mastering of the technology to design and analyze hardware coprocessors that target the acceleration of applications in Biology and Biophysics. A working prototype is available, using a commercial hardware prototyping platform. The proof-of-concept implementation demonstrates the viability of successfully using the proposed techniques.

Sistemas de dinâmica molecular são definidos pela posição e energia das partículas que o compõe, assim como pelas interações entre estas. Tais sistemas podem ser simu-lados através de métodos matemáticos como o cálculo de forças eletrostáticas baseadas na Lei de Coulomb. Computar os estados através dos quais um sistema destes evolui, avaliando a interação de cada partícula, é tarefa computacionalmente dispendiosa, mes-mo para um número pequeno de partículas. Portanto, podem-se obter benefícios ao se aplicar técnicas específicas para acelerar tais computações. Enquanto alguns estudos propõem o uso de algoritmos diferenciados, existem os que empregam processadores especiais ou hardware personalizado, a técnica abordada nesta Dissertação. Descreve-se aqui o projeto e a prototipação de uma arquitetura de hardware com potencial para acelerar uma aplicação que computa forças eletrostáticas entre partículas não ligadas. Dá-se ênfase especificamente aos aspectos da integração entre o hardware e a aplicação-alvo empregada neste projeto, o programa PMEMD (Particle Mesh Ewald Molecular Dynamics), parte da plataforma AMBER (Assisted Model Building with Energy Refinement). Os cálculos mais onerosos deste programa foram identificados e movidos para uma implementação de hardware em FPGA, criando um co-processador específico – o PMEMD-HW. A escolha de um hardware reconfigurável se deve, entre outros motivos, à facilidade de fazer evoluir o processo de projeto e obter a aceleração almejada. A principal contribuição deste trabalho é o domínio da tecnologia de uso de co-processadores de hardware para acelerar aplicações nas áreas de Biologia e Biofísica. Um protótipo funcional está disponível, utilizando uma plataforma comercial de prototipa-ção de hardware. Esta prova de conceito demonstra a viabilidade de usar com sucesso as técnicas desenvolvidas.