FPGA implementation of exchange-correlation potential calculation for DFT

Abstract

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.

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.