Loading...

Accelerating Numerical Solution of Steady and Unsteady Equations Using FPGA

Zandsalimy, Mohammad | 2016

586 Viewed
  1. Type of Document: Ph.D. Dissertation
  2. Language: Farsi
  3. Document No: 49185 (45)
  4. University: Sharif University of Technology
  5. Department: Aerospace Engineering
  6. Advisor(s): Ebrahimi, Abbas
  7. Abstract:
  8. Nowadays one of the main challenges facing fluid dynamics simulations is the long duration of numerical calculations. The goal of this research is to use FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) to accelerate fluid dynamics solutions. First, the ability of FPGAs in mathematical operations on floating point numbers is studied. Then, various fluid dynamics problems are implemented on the FPGA hardware, and each one is solved separately. Unsteady 1D Couette problem, 2D potential flow (Laplace equation), incompressible viscous fluid flow over a backward facing step, and compressible inviscid flow over a bump are some of the problems in question. FPGA is an integrated circuit containing a number of logic blocks, and its architecture can be reprogrammed after manufacturing. So, it’s possible to design complex circuits for various applications using an FPGA. In the proposed research, each numerical problem is implemented on the same FPGA and then the calculation results are compared to the results from a CPU. The calculation procedure on FPGA is up to 10 times faster than a conventional CPU, with the same data precision. Several numerical and analytical solutions are used to validate the results
  9. Keywords:
  10. Computational Fluid Dynamics (CFD) ; Reconfigurable Hardware ; Field Programmable Gate Array (FPGA) ; Very Highspeed Integrated Circuits Hardware Description Language (VHDL) ; Numerical Solution ; Accelerating Numerical Solutions

 Digital Object List

 Bookmark

  • مقدمه
    • دینامیک سیالات محاسباتی
    • سخت‌افزار با قابلیت تغییر در ساختار آن
      • Field Programmable Gate Array
      • ساختار
      • نرم‌افزار
      • CPU
      • گیت منطقی
      • جدول مراجعه
      • فلیپ‌فلاپ
      • RAM
  • پیش‌زمینه
    • FPGA
      • FPGA چیست؟
      • FPGA یا ASIC؟
      • کاربرد‌های FPGA
      • ساختار داخلی FPGA
      • طراحی FPGA درون یک سیستم
      • ابزار‌های طراحی ساختار FPGA
    • تاریخچه
    • توصیف اعداد اعشاری
      • ضرب و جمع اعداد اعشاری روی FPGA
    • کانال‌کشی
    • فرآیند موازی‌سازی
      • گام‌های فرآیند
    • عملکرد کامپیوتر
      • جنبه‌های عملکرد
      • تعداد عملیات اعشاری بر ثانیه
      • تسریع
      • قانون آمدال
    • دقت ترکیبی
      • تصفیه گام به گام
      • دقت ترکیبی روی FPGA
  • قابلیت اجرا
    • سخت‌افزار
      • SoC FPGA‌های موجود
      • مزایا نسبت به ساختار FPGA و پردازشگر جدا
      • مزایا نسبت به پردازشگرهای بر اساس ASIC
      • انتخاب SoC FPGA مناسب برای یک کاربرد خاص
    • عملکرد سیستم
    • قابلیت اعتماد و انعطاف‌پذیری
    • هزینه سیستم
    • توان
    • نقشه راه آینده تولیدکننده‌ها
    • ابزارهای توسعه
    • سخت‌افزار مورد استفاده
      • معرفی
      • ساختار
      • سیستم پردازشی (PS)
      • منطق قابل برنامه‌ریزی (PL)
      • مراکز ارتباطی
  • اهداف و فرآیند طراحی
    • هدف پژوهش
      • سخت‌افزار مورد استفاده
      • سیستم توسعه و خطایابی
      • مسایل CFD مورد آزمایش
      • پیش‌بینی نتایج
      • زمان‌سنج با دقت بالا
    • فرآیند طراحی سخت‌افزار
      • ساخت برنامه آزمون و تعیین صحت برنامه C
      • سنتز و آنالیز طراحی
      • سنتز ارتباطات
      • بهینه‌سازی طراحی
      • تعیین صحت RTL
      • بسته‌بندی و صادر کردن IP
      • طراحی و ساخت یک طرح بلوکی
      • سنتز و تعیین صحت طراحی
      • بسته‌بندی و صادر کردن ساختار سخت‌افزار
      • ساخت نرم‌افزار قابل اجرا روی سخت‌افزار و فایل راه‌انداز
      • اعمال طراحی روی سخت‌افزار و استخراج نتایج
  • نتایج حل
    • معادلات دیفرانسیل معمولی مرتبه اول
    • معادلات دیفرانسیل معمولی مراتب بالاتر
    • جریان ناپایای کوئت یک‌بعدی
    • معادله برگرز غیرلزج یک‌بعدی
    • جریان دوبعدی تراکم‌ناپذیر غیرلزج
    • زمان حل و تعداد نقاط شبکه عددی
    • جریان تراکم‌پذیر غیرلزج شبه یک‌بعدی
    • جریان تراکم‌ناپذیر لزج دوبعدی
    • جریان تراکم‌پذیر غیرلزج دوبعدی
  • نتیجه‌گیری و پیشنهادها
    • آینده سخت‌افزار
    • آینده برنامه‌نویسی سخت‌افزار
    • پیشنهادهای ادامه کار
    • جمع بندی
  • فهرست مراجع
  • جدول علایم اختصاری انگلیسی
  • واژه‌نامه فارسی به انگلیسی
  • واژه‌نامه انگلیسی به فارسی
  • کد VHDL
    • کد VHDL مربوط به یک شمارنده ساده چهار بیتی
  • کد C++
    • کد C++ مربوط به یک معادله دیفرانسیل معمولی مرتبه اول
    • کد C++ مربوط به یک معادله دیفرانسیل معمولی مرتبه دوم
    • کد C++ مربوط به معادله ناپایای پخش لزج یک بعدی
    • کد C++ مربوط به معادله برگرز غیرلزج یک بعدی
    • کد C++ مربوط به معادله لاپلاس
    • کد C++ مربوط به معادله اویلر شبه یک بعدی
    • کد C++ مربوط به روش MAC در جریان تراکم‌ناپذیر لزج
    • کد C++ مربوط به جریان تراکم‌پذیر غیر‌لزج
  • سایر روابط مورد استفاده
    • محاسبه نرم خطا
  • چکیده انگلیسی
...see more