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Simulation of reaction diffusion processes over biologically relevant size and time scales using multi-GPU workstations

机译:使用多GPU工作站在生物学相关的大小和时间尺度上模拟反应扩散过程

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摘要

Simulation of in vivo cellular processes with the reaction-diffusion master equation (RDME) is a computationally expensive task. Our previous software enabled simulation of inhomogeneous biochemical systems for small bacteria over long time scales using the MPD-RDME method on a single GPU. Simulations of larger eukaryotic systems exceed the on-board memory capacity of individual GPUs, and long time simulations of modest-sized cells such as yeast are impractical on a single GPU. We present a new multi-GPU parallel implementation of the MPD-RDME method based on a spatial decomposition approach that supports dynamic load balancing for workstations containing GPUs of varying performance and memory capacity. We take advantage of high-performance features of CUDA for peer-to-peer GPU memory transfers and evaluate the performance of our algorithms on state-of-the-art GPU devices. We present parallel e ciency and performance results for simulations using multiple GPUs as system size, particle counts, and number of reactions grow. We also demonstrate multi-GPU performance in simulations of the Min protein system in E. coli. Moreover, our multi-GPU decomposition and load balancing approach can be generalized to other lattice-based problems.
机译:用反应扩散主方程(RDME)模拟体内细胞过程是一项计算量巨大的任务。我们以前的软件可以在单个GPU上使用MPD-RDME方法对小细菌的不均匀生化系统进行长时间模拟。较大的真核生物系统的仿真超出了单个GPU的板载存储容量,而长时间模拟单个酵母等中等大小的细胞在单个GPU上是不切实际的。我们基于空间分解方法提出了MPD-RDME方法的新的多GPU并行实现,该方法支持包含性能和内存容量各异的GPU的工作站的动态负载平衡。我们利用CUDA的高性能功能进行点对点GPU内存传输,并评估我们算法在最新GPU设备上的性能。随着系统尺寸,颗粒数量和反应数量的增长,我们将为使用多个GPU的仿真提供并行的效率和性能结果。我们还在大肠杆菌Min蛋白系统的仿真中展示了多GPU性能。此外,我们的多GPU分解和负载平衡方法可以推广到其他基于格的问题。

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