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Accelerating the Finite-Element Method for Reaction-Diffusion Simulations on GPUs with CUDA

机译:加速CUDA对GPU反应扩散模拟的有限元法

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摘要

DNA nanotechnology offers a fine control over biochemistry by programming chemical reactions in DNA templates. Coupled to microfluidics, it has enabled DNA-based reaction-diffusion microsystems with advanced spatio-temporal dynamics such as traveling waves. The Finite Element Method (FEM) is a standard tool to simulate the physics of such systems where boundary conditions play a crucial role. However, a fine discretization in time and space is required for complex geometries (like sharp corners) and highly nonlinear chemistry. Graphical Processing Units (GPUs) are increasingly used to speed up scientific computing, but their application to accelerate simulations of reaction-diffusion in DNA nanotechnology has been little investigated. Here we study reaction-diffusion equations (a DNA-based predator-prey system) in a tortuous geometry (a maze), which was shown experimentally to generate subtle geometric effects. We solve the partial differential equations on a GPU, demonstrating a speedup of ∼100 over the same resolution on a 20 cores CPU.
机译:DNA纳米技术通过在DNA模板中编程化学反应,对生物化学进行了精细控制。耦合到微流体,它使基于DNA的反应扩散微系统能够具有高级时空动态,例如行波。有限元方法(FEM)是一种标准工​​具,用于模拟这些系统的物理学,其中边界条件起到至关重要的作用。然而,复杂的几何形状(如尖角)和高度非线性化学所需的时间和空间中的良好离散化。图形处理单元(GPU)越来越多地用于加速科学计算,但它们在DNA纳米技术中加速反应扩散模拟的应用已经很少研究。在这里,我们研究了在曲折的几何形状(迷宫)中的反应扩散方程(基于DNA的捕食者 - 猎物系统),这是通过实验显示的,以产生微妙的几何效果。我们在GPU上解决了部分微分方程,在20个CPU上展示了在相同的分辨率上~100的加速。

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