Particle Transport Simulators on FPGAs

Mgr. Oldřich Pecák

Rigorózní práce

Anotace:

Monte Carlo simulátory pro transport částic patřily mezi první programy, které byly spuštěny na prvních univerzálních počítačích (jako byl ENIAC). Byly také prvními, které využívaly metody Monte Carlo. Tyto simulátory se používají v mnoha oblastech, od částicové fyziky přes jaderné inženýrství až po lékařské aplikace. Protože problémy, které řeší, vždy těží z vyšší přesnosti nebo většího množství vstupních dat, simulátory téměř vždy běží na nejnovějších a nejrychlejších superpočítačích. Simulátory se musely přizpůsobit několika změnám v paradigmatu výpočetního výkonu. Byly mezi prvními simulátory, které využívaly systémy s více procesory a více uzly, čímž těžily z masivní paralelizace. V posledních letech si změna superpočítačů na využití GPU jako primárního zdroje výpočetního výkonu vyžádala opětovnou adaptaci simulátorů. Jelikož budoucí generace superpočítačů opět změní svou architekturu, simulátory se budou muset znovu přizpůsobit novému hardwaru. Současné očekávání je přechod na rekonfigurovatelné nebo velmi specializované akcelerátory. V této práci popisujeme současný stav simulací a jejich akcelerace. Prezentujeme také naše aktuální výsledky, které lze považovat za mezikroky při návrhu vlastních hardwarových akcelerátorů pro simulátory transportu částic. Dosud jsme hodnotili Intel OneAPI jako nástroj pro High-Level Synthesis pomocí přepisu benchmarkovací aplikace XSBench na FPGA. Otestovali jsme výkon FPGA Intel Stratix10. Toto hodnocení bude základem pro naše budoucí návrhy vlastních hardwarových akcelerátorů.

Abstract:

Monte Carlo particle transport simulators were among the first programs to run on the first general computers (such as ENIAC). They were also the first to use Monte Carlo methods. They are used in many fields, from particle physics to nuclear engineering to medical fields. As the problems they solve always benefit from higher precision or larger input, the simulators are almost always at the forefront of high-performance computing, running at the newest and fastest supercomputers. The simulators had to adapt to several changes in the paradigm of high-performance computing. They were among the first simulators to use multi-cpu and multi-node systems, exploiting massive parallelization. In recent years, the change in supercomputers to using GPUs as the primary source of computing performance required the simulators to adapt again. As the future generation of supercomputers will change the architecture again, the simulators will have to adapt to new hardware again. The current expectation is to move to reconfigurable or very highly specialized accelerators. In this thesis, we describe the current state-of-the-art simulation acceleration. We also present our current results, which can be seen as intermediate steps for designing custom hardware accelerators for particle transport simulators. So far, we have evaluated the Intel OneAPI toolchain as a High-Level Synthesis tool by porting the XSBench benchmarking application to FPGAs. We have tested the performance on Intel Stratix10 FPGA. This evaluation will be a basis for our future custom hardware accelerator designs.

Keywords

nuclear particle transport, particle simulator, monte carlo methods, hardware accelerator, hardware design, fpga, nuclear physics

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 27. 1. 2025

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 29. 5. 2025
• Oponent: doc. Ing. Tomáš Martínek, Ph.D., doc. Ing. Ivan Šimeček, Ph.D.

Masarykova univerzita

Fakulta informatiky

Rigorózní řízení / obor:
Počítačové systémy, komunikace a bezpečnost / Počítačové systémy, komunikace a bezpečnost