Udostępnianie zasobów obliczeniowych

1. ARUZ:

– 27 tys. układów FPGA Artix 7 połączonych w sieć przestrzenną
– 75 tys. połączeń
– 20 paneli zawierających 3000 płyt PCB

Oprogramowanie: algorytm DLL

ARUZ jest urządzeniem obliczeniowym, którego działanie opiera się na układach FPGA. Są to, podobnie jak procesory, układy scalone przetwarzające dane. Jednak w odróżnieniu od procesorów programem nie jest „lista instrukcji do wykonania”, ale sieć połączeń pomiędzy bramkami logicznymi. Inaczej mówiąc jest to programowanie opisujące przetwarzanie poszczególnych zer i jedynek.

ARUZ jest umieszczony w wybudowanym dla niego walcowym pomieszczeniu pełniącym funkcję klatki Faradaya, która ma 14 metrów średnicy i 4,5 metrów wysokości. Układy obliczeniowe znajdują się na koliście rozmieszczonych, pionowych „ścianach” nazywanych panelami. Urządzenie składa się z 20 paneli. Na każdym panelu znajduje się 150 płytek PCB. W układzie 12 kolumn i 12 rzędów. Razem w ARUZie  jest 3000 płytek obliczeniowych z których 2880 stanowi Mega ARUZa, a 120 mikro ARUZa. Poza płytkami obliczeniowymi są jeszcze dodatkowe płytki wspomagające komunikację i zarządzające stanem urządzenia. W celu odprowadzenia ciepła płytki są przytwierdzone do metalowych modułów chłodzonych wodą.

Wszystkie płyty obliczeniowe są połączone tworząc sześcienną kratę. 8 urządzeń na każdej płytce drukowanej PCB jest podłączonych za pomocą obwodów drukowanych, a urządzenia umieszczone na różnych (sąsiednich) płytkach PCB są połączone skrętkami. Rzeczywista topologia jest nieco bardziej złożona niż prosta sześcienna krata. Pozwala to na tworzenie logicznej sieci z okresowymi warunkami brzegowymi bez konieczności stosowania długich kabli połączeniowych. Kable i złącza są standardowymi kablami LAN kategorii 7. Jednak protokół komunikacyjny nie jest Ethernetem, jest to niestandardowy protokół pełnego dupleksu. Wszystkie jednostki FPGA wykorzystują moduł zegara i transmisji danych o częstotliwości 125 MHz: 500 MHz.

Oryginalnym pomysłem stojącym za konstrukcją ARUZ jest elektroniczna implementacja algorytmu DLL. DLL jest algorytmem chemii obliczeniowej, który należy do rodziny Monte Carlo i jest symulacją sieci. Został opracowany w 1990 r. przez nieżyjącego już prof. T. Pakułę. Algorytm ten jest szczególnie przydatny do modelowania właściwości roztworów polimerowych i żeli oraz reakcji chemicznych w nich zawartych. Mamy również wyjątkową okazję do opracowania oprogramowania i nowych algorytmów dla sieci 26 tysięcy połączonych  urządzeń FPGA, która według naszej wiedzy jest jedyną na świecie.

Publikacje o ARUZ

• Jabłoński G., Kupis J.
  2017 MIXDES – 24th International Conference ”Mixed Design of Integrated Circuits and Systems” (2017), pp. 308-313, 10.23919/MIXDES.2017.8005221
• Jabłoński G., Kupis J.
  Int. J. Microelectron. Comput. Sci., 8 (1) (2017), pp. 36-42
• Jabłoński G., Kupis J.
  2018 MIXDES – 25th International Conference ”Mixed Design of Integrated Circuits and Systems” (2018)
  accepted for publication
• Mudza Z., Kiełbik R., Rudnicki K., Amrozik., Jabłoński.: 
  ARUZ Dedicated Firmware, Book of Abstracts of ARUZ-Workshop 2016, pp. 45, Łódź, Poland, 1-3 December 2016, ISBN 978-83-7283-792-9 (poster)
• KIEŁBIK R., JABŁOŃSKI G., AMROZIK P., MUDZA Z., KUPIS J.:
  ARUZ – the unique massively parallel FPGA-based system, Book of Abstracts of ARUZ-Workshop 2016, pp. 8-9, Łódź, Poland, 1-3 December 2016, ISBN 978-83-7283-792-9

Przykładowe publikacje o algorytmie DLL

• Diffusion of small particles in polymer films (2017)
• Diffusive properties of solvent molecules in the neighborhood of a polymer chain as seen by Monte-Carlo simulations (2016)
• K. Halagan, P. Polanowski „Kinetics of spinodal decomposition in the Ising model with dynamic lattice liquid (DLL) Dynamics”, J. Non-Cryst. Solids 355 (2009) 1318.
• H. Gao, P. Polanowski, K. Matyjaszewski „Gelation in Living Copolymerization of Monomer and Divinyl Cross-Linker: Comparison of ATRP Experiments with Monte Carlo Simulations”, Macromolecules 42 (2009) 5925.
• P. Polanowski „Parallel simulation of random fractal growth using dynamic lattice liquid (DLL) model”, J. Non-Cryst. Solids 353 (2007) 4575
• P. Polanowski, Z. Koza „Reaction-diffusion fronts in systems with concentration-dependent diffusivities”, Phys. Rev. E 74 (2006) 036103.
• T. Pakula, J. Mol. Liq. 86 (2000) 109
• T. Pakula, J. Teichmann, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 455 (1997) 211

2. Klaster obliczeniowy

• 336 rdzeni w 14 jednostkach [672 wątki]
• płyty dwuprocesorowe
• procesory Xeon E5-2670 12 x 2.3 GHz / 9.6 GT / 30 MB
• 64 GB RAM, 2 x 12 TB
• Gigabit LAN

Oprogramowanie:

• LAMMPS
• GROMACS
• oprogramowanie Open Source