Sprzętowa implementacja części wielomianowej funkcji orbitalnej na potrzeby obliczeń kwantowo-chemicznych

Abstract

The hardware acceleration module for generating the polynomial part of the orbital function in quantum chemistry calculation is presented. Both implementation and acceleration results are provided in the paper along with the comparison tests (against Itanium 2 processor). The implementation described can be regarded as a milestone on the way towards introducing an efficient hardware implementation of the exchange-correlation potential. The FPGA-based SGI RASC accelerator was used to offload a processor in the most exhausting computations of the SCF routine. The paper also covers issues regarding an integration of the PP (polynomial part) module with the rest of the computational system.

W artykule przedstawione zostały wyniki implementacji modułu obliczającego część wielomianową orbitalu atomowego. Generowanie funkcji orbitalnej jest jednym z najbardziej wymagających obliczeniowo fragmentów procedury DFT. Procedura ta wykorzystywana jest w chemii kwantowej do modelowania zaawansowanych wieloatomowych cząsteczek. Wykonanie obliczeń na komputerach dużej mocy zajmuje często wiele czasu, który dla bardziej skomplikowanych układów może wynosić nawet kilka dni. Dlatego została podjęta próba przyspieszenia obliczeń DFT z wykorzystaniem układów FPGA. Otrzymane wyniki akceleracji silnie zależą od charakteru cząsteczki, dla której prowadzone są obliczenia. Maksymalne uzyskane przyspieszenie wynosiło 3,5x. Należy oczekiwać większego przyspieszania, gdy kompletny algorytm generowania macierzy korelacyjno-wymiennej zostanie zaimplementowany w układzie FPGA.