基于FPGA的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算系統(tǒng)的任務(wù)書

基于FPGA的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算系統(tǒng)的任務(wù)書任務(wù)書一、任務(wù)背景隨著人類對(duì)材料科學(xué)和生物科學(xué)研究的不斷深入，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)已經(jīng)成為了材料科學(xué)和生物科學(xué)研究的重要手段之一。分子動(dòng)力學(xué)(MolecularDynamics)作為計(jì)算機(jī)模擬領(lǐng)域的重要分支之一，通過模擬分子的運(yùn)動(dòng)、碰撞和相互作用，探究分子尺度下的物理和化學(xué)特性，從而深入了解物質(zhì)的性質(zhì)和行為。目前分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算的核心是利用高性能計(jì)算機(jī)，例如集群計(jì)算機(jī)、多核CPU計(jì)算機(jī)等，通過并行計(jì)算和高效算法，快速完成大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算。但是，在一些實(shí)時(shí)控制、高精度計(jì)算等領(lǐng)域，高性能計(jì)算機(jī)存在一定的局限性，例如計(jì)算本身時(shí)間成本大、能量消耗高、體積龐大等問題。基于FPGA(FieldProgrammableGateArray)的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算系統(tǒng)是一種新型的計(jì)算平臺(tái)，可以利用FPGA的高速、低功耗和可編程特性，提供高效的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算能力。該系統(tǒng)通過優(yōu)化計(jì)算算法、并行計(jì)算等技術(shù)，能夠滿足實(shí)時(shí)控制、高精度計(jì)算等領(lǐng)域的需求。二、任務(wù)目標(biāo)本次任務(wù)旨在設(shè)計(jì)、開發(fā)和測(cè)試基于FPGA的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：1.設(shè)計(jì)分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算系統(tǒng)的基本架構(gòu)，包括圖像處理器、內(nèi)存控制器、DMA(DirectMemoryAccess)控制器、時(shí)鐘管理器等模塊；2.基于硬件描述語言(例如Verilog)，實(shí)現(xiàn)FPGA的邏輯設(shè)計(jì)，包括內(nèi)存緩存、分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算單元、并行計(jì)算模塊等；3.開發(fā)軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與FPGA計(jì)算器的通訊、數(shù)據(jù)輸入輸出、算法優(yōu)化和并行計(jì)算等功能；4.測(cè)試系統(tǒng)功能和性能，包括計(jì)算速度、計(jì)算精度、功耗等方面。三、任務(wù)計(jì)劃1.第1-2周：調(diào)研分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算技術(shù)和FPGA計(jì)算平臺(tái)，學(xué)習(xí)硬件描述語言和軟件開發(fā)技術(shù)；確定FPGA計(jì)算平臺(tái)和軟件開發(fā)工具，制定詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案；2.第3-4周：設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)FPGA的邏輯設(shè)計(jì)，包括內(nèi)存緩存、分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算單元、并行計(jì)算模塊等；3.第5-6周：開發(fā)軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與FPGA計(jì)算器的通訊、數(shù)據(jù)輸入輸出、算法優(yōu)化和并行計(jì)算等功能；4.第7-8周：整合FPGA邏輯設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)功能和性能，包括計(jì)算速度、計(jì)算精度、功耗等方面；5.第9周：撰寫任務(wù)報(bào)告，包括設(shè)計(jì)方案、實(shí)現(xiàn)過程、測(cè)試結(jié)果等內(nèi)容。四、任務(wù)要求1.了解分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算和FPGA計(jì)算平臺(tái)的基本原理和技術(shù)；具備一定的硬件描述語言和軟件開發(fā)技能；2.完成基于FPGA的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)和平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，能夠滿足實(shí)時(shí)控制、高精度計(jì)算等領(lǐng)域的需求；3.開發(fā)軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與FPGA計(jì)算器的通訊、數(shù)據(jù)輸入輸出、算法優(yōu)化和并行計(jì)算等功能；4.測(cè)試系統(tǒng)功能和性能，包括計(jì)算速度、計(jì)算精度、功耗等方面；5.任務(wù)報(bào)告涵蓋設(shè)計(jì)方案、實(shí)現(xiàn)過程、測(cè)試結(jié)果等內(nèi)容；6.任務(wù)報(bào)告語言準(zhǔn)確無誤、簡(jiǎn)潔明了，結(jié)構(gòu)合理、層次清晰，字?jǐn)?shù)不少于1200字。五、參考資料1.StephenJ.Plimpton,FastParallelAlgorithmsforShort-RangeMolecularDynamics,JournalofComputationalPhysics,Volume117,Issue1,1995,Pages1-19.2.PaulR.Sexton,TimothyG.Mattson,Energy-efficient,high-performancemoleculardynamicssimulationsusingGPUs,JournalofComputationalChemistry,Volume33,Issue30,2012,Pages2427-2439.3.MarkHarris,ParallelPrefixSum(Scan)withCUDA,NVIDIACorporation,TechnicalReport,2007.4.PatrickJ.Graydon,ParallelPrefixSumontheGPUusingCUDA,UniversityofBritishColumbia,TechnicalReport,2007.5.高頻數(shù)字電路