Uma API de comunicação para aceleração por hardware de simuladores moleculares

A evolução da tecnologia de fabricação de circuitos integrados continua obedecendo à lei de Moore. Entretanto, aplicações científicas cada vez mais necessitam de recursos de alto desempenho computacional, motivando pesquisadores a propor a aceleração por hardware dedicado para aumentar o desempenho destas aplicações. Freqüentemente, devido à necessidade de rapidez no projeto de tais aplicações, empregam-se técnicas de projeto com emprego de hardware reconfigurável. Atualmente, há um grande aumento em pesquisas de biofísica molecular com o objetivo principal na concepção de fármacos. Porém, para se chegar até a droga e a possível cura de alguma doença, diversos procedimentos devem ser empreendidos. Como exemplos podem ser citados experimentos para determinar o comportamento de moléculas simples ou de proteínas. As simulações por dinâmica molecular aportam uma variedade de informações do sistema molecular em questão. Entretanto, para se executar estas simulações é necessário o auxílio de recursos computacionais de alto desempenho, devido à elevada quantidade de cálculos a efetuar, à quantidade de informações geradas e à necessidade destas informações e resultados em períodos curtos de tempo, tornando a exigência por computação de alto desempenho uma característica básica desta área. Para suprir a exigência computacional de simulações por dinâmica molecular existem plataformas baseadas em FPGAs, que são largamente utilizadas como aceleradores de hardware de aplicações com alto custo computacional. FPGAs são amplamente disponíveis e permitem realizar rapidamente o projeto e a implementação de hardware com alto desempenho se comparado a software executando em processadores de propósito geral.A principal contribuição deste trabalho é uma proposta de método de comunicação entre uma máquina hospedeira e uma plataforma de hardware reconfigurável baseada em FPGAs, sugerindo uma arquitetura de software para integração das plataformas de software e o hardware usado para acelerar aplicações de simulação por dinâmica molecular. A proposta foi implementada como uma API para organização da comunicação entre as plataformas em níveis de abstração de serviço, visando tornar as camadas de software independentes do hardware.The evolution of the integrated circuit manufacturing technology is still following the so called Moore Law. However, scientific applications growingly require high performance computational resources, motivating researchers to propose the acceleration of such applications through the use of dedicated hardware devices. Often, due to the need of obtaining fast results in the design of these applications the use of reconfigurable hardware devices is recommended. Currently, there is a significant increase in the amount of research on molecular biophysics with a main goal on the design of drugs. Nonetheless, to achieve the design of a new drug and the possible cure of some disease, several complex procedures must be undertaken. As examples, it is possible to cite experiments to determine the behavior of simple molecules or proteins. Molecular dynamics simulations can reveal a large variety of facts about the molecular system under scrutiny. But to execute such simulations in a timely way, it is necessary to employ a huge amount of high performance computational resources, like supercomputers, large computer clusters or grids. This is due to the enormous amount of mathematical computations to perform, to the amount of generated information and to the need to obtain all this information in short time delays. This makes the requirement for high performance computing a basic characteristic of this field. To fulfill the computational requirements of molecular dynamics simulations there are FPGA based platforms, which are frequently employed as hardware accelerators for applications with high computational cost. FPGAs are widely available and enable the fast design and implementation of dedicated hardware with high performance when compared to software running on general purpose processors.The main contribution of this work is the proposition of a communication method between a host computer and a reconfigurable hardware platform based on FPGAs. The dissertation suggests a software architecture for integrating software and hardware platforms used to accelerate molecular dynamics simulation applications. The proposition has been implemented as an Application Programming Interface (API) that organizes the communication between platforms in several service abstraction levels, with the goal of rendering the application software layers independents of the accelerator hardware