Design of a logic circuit for finite differencing of Navier-Stokes equations

• Project/Area Number: 21656049
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Fluid engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: YAMAMOTO Satoru 東北大学, 大学院・情報科学研究科, 教授 (90192799)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): SANO Kentaro 東北大学, 大学院・情報科学研究科, 准教授 (00323048)
• Project Period (FY): 2009 – 2011
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥3,500,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2011: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2010: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2009: ¥1,400,000 (Direct Cost: ¥1,400,000)
• Keywords: 数値流体力学 / ナビエストークス方程式 / 差分計算 / 論理回路 / 低消費電力

Research Abstract

In this study as an innovative computational method for computational fluid dynamics (CFD)to obtain the high performance and to save the electric power of computers which use the computation, a logic circuit of finite difference based on the fractional-step method solving Navier-Stokes equations was designed on the field-programmable gate array (FPGA)device in which the logic circuit can be repeatedly constructed.

Research Products

• [Journal Article] Domain-Specific Language and Compiler for Stencil Computation on FPGA-based Systolic Computational-Memory Array (2012)
  • Author(s): Wang Luzhou, Kentaro Sano and Satoru Yamamoto
  • Journal Title: Proceedings of the International Symposium on Applied Reconfigurable Computing (ARC2012) Pages: 26-39
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Domain-Specific Language and Compiler for Stencil Computation on FPGA-based Systolic Computational-Memory Array (2012)
  • Author(s): Wang Luzhou, Kentaro Sano, Satoru Yamamoto
  • Journal Title: Proceedings of the International Symposium on Applied Reconfigurable Computing (ARC2012) Volume: I(印刷中)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Domain-Specific Programmable Design of Scalable Streaming-Array for Power-Efficient Stencil Computation (2011)
  • Author(s): Kentaro Sano, Yoshiaki Hatsuda and Satoru Yamamoto
  • Journal Title: Computer Architecture News Special Issue for the proceedings of the International Workshop on Highly-Efficient Accelerators and Reconfigurable Technologies (HEART) Volume: vol.39, no.4 Pages: 44-49
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Scalable Streaming-Array of Simple Soft-Processors for Stencil Computations with Constant Memory-Bandwidth (2011)
  • Author(s): Kentaro Sano, Yoshiaki Hatsuda and Satoru Yamamoto
  • Journal Title: Proceedings of the 19th Annual IEEE Symposium on Field-Programmable Custom Computing Machines (FCCM2011) Volume: vol.1 Pages: 234-241
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Scalable Streaming-Array of Simple Soft-Processors for Stencil Computations with Constant Memory-Bandwidth (2011)
  • Author(s): Kentaro Sano, Yoshiaki Hatsuda, Satoru Yamamoto
  • Journal Title: Proceedings of the 19th Annual IEEE Symposium on Field-Programmable Custom Computine Machines (FCCM2011) Volume: I Pages: 234-241
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Domain-Specific Programmable Design of Scalable Streaming-Array for Power-Efficient Stencil Computation (2011)
  • Author(s): Kentaro Sano, Yoshiaki Hatsuda, Satoru Yamamoto
  • Journal Title: Computer Architecture News Special Issue for the proceedings of the International Workshop on Highly-Efficient Accelerators and Reconfigurable Technologies (HEART) Volume: 39 Pages: 44-49
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Local-and-Global Stall Mechanism for Systolic Computational-Memory Array on Extensible Multi-FPGA System (2010)
  • Author(s): Wang Luzhou, Kentaro Sano and Satoru Yamamoto
  • Journal Title: Proceedings of the International Conference on Field-Programmable Technology (ICFPT2010) Volume: vol.1 Pages: 102-109
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] FPGA-based Lossless Compressors of Floating-Point Data Streams to Enhance Memory Bandwidth (2010)
  • Author(s): Kazuya Katahira, Kentaro Sano and Satoru Yamamoto
  • Journal Title: Proceedings of the International Conference on Application-specific Systems, Architectures and Processors (ASAP) Volume: vol.1 Pages: 246-253
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Prototype Implementation of Array-Processor Extensible over Multiple FPGAs for Scalable Stencil Computation (2010)
  • Author(s): Kentaro Sano, Wang Luzhou and Satoru Yamamoto
  • Journal Title: Computer Architecture News Special Issue for the proceedings of the International Workshop on Highly-Efficient Accelerators and Reconfigurable Technologies (HEART) Volume: vol.38, no.4 Pages: 80-86
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] FPGA-Array with Bandwidth-Reduction Mechanism for Scalable and Power-Efficient Numerical Simulations based on Finite Difference Methods (2010)
  • Author(s): Kentaro Sano, Wang Luzhou, Yoshiaki Hatsuda, Takanori Iizuka and Satoru Yamamoto
  • Journal Title: ACM Transactions on Reconfigurable Technology and Systems (TRETS) Volume: Vol.3, No.4 Pages: 35-35
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] FPGA-Array with Bandwidth-Reduction Mechanism for Scalable and Power-Efficient Numerical Simulations based on Finite Difference Methods (2010)
  • Author(s): Kentaro Sano, Wang Luzhou, Yoshiaki Hatsuda, Takanori Iizuka, Satoru Yamamoto
  • Journal Title: ACM Transactions on Reconfigurable Technology and Systems (TRETS) Volume: 3(Digital Library) Pages: 35-35
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] FPGA-based Lossless Compressors of Floating-Point Data Streams to Enhance Memory Bandwidth (2010)
  • Author(s): Kazuya Katahira, Kentaro Sano, Satoru Yamamoto
  • Journal Title: Proceedings of the International Conference on Application-specific Systems, Architectures and Processors (ASAP) Pages: 246-253
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Local-and-Global Stall Mechanism for Systolic Computational-Memory Array on Extensible Multi-FPGA System (2010)
  • Author(s): Wang Luzhou, Kentaro Sano, Satoru Yamamoto
  • Journal Title: Proceedings of the International Conference on Field-Programmable Technology (ICFPT2010) Pages: 102-109
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Prototype Implementation of Array-Processor Extensible over Multiple FPGAs for Scalable Stencil Computation (2010)
  • Author(s): Kentaro Sano, Wang Luzhou, Satoru Yamamoto
  • Journal Title: Computer Architecture News (CAN) Volume: 38 Pages: 80-86
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 複数FPGA上で動作するスケーラブルアレイプロセッサのためのGALS設計 (2010)
  • Author(s): 王陸洲, 佐野健太郎, 山本悟
  • Journal Title: 電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会信学技法 Volume: 110 Pages: 69-74
  • NAID: 110007999820
• [Journal Article] メモリ帯域向上のための浮動小数点データストリームロスレス圧縮ハードウェア (2010)
  • Author(s): 佐野健太郎, 片平和也, 山本悟
  • Journal Title: 電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会信学技法 Volume: 110 Pages: 37-42
  • NAID: 110008106750
• [Journal Article] 低帯域メモリで高性能反復計算を実現するスケーラブルカスタムパイプラインアクセラレータ (2010)
  • Author(s): 佐野健太郎, 初田義明, 金澤慧, 山本悟
  • Journal Title: 第24回数値流体力学シンポジウム講演論文集 Volume: (CDROM) Pages: 5-5
• [Journal Article] 差分法に基づく数値シミュレーション高速化のための大規模FPGAアレイ (2010)
  • Author(s): 王陸洲, 佐野健太郎, 山本悟
  • Journal Title: 第24回数値流体力学シンポジウム講演論文集 Volume: (CDROM) Pages: 4-4
• [Journal Article] 格子ボルツマン法専用計算機に用いる数値データ圧縮ハードウェアの設計と評価 (2010)
  • Author(s): 片平和也, 佐野健太郎, 山本悟
  • Journal Title: 第24回数値流体力学シンポジウム講演論文集 Volume: (CDROM) Pages: 4-4
• [Journal Article] 浮動小数点データ圧縮ハードウェアのための複数ストリーム符号化方式 (2010)
  • Author(s): 佐野健太郎, 片平和也, 山本悟
  • Journal Title: 電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会信学技法 Volume: 110 Pages: 111-116
  • NAID: 110008676201
• [Journal Article] Applying Data-Compression to Enhancing Memory Bandwidth of Custom Computing Machines for Computational Fluid Dynamics (2010)
  • Author(s): Kentaro Sano, Kazuya Katahira, Satoru Yamamoto
  • Journal Title: Proceedings of the 8th Asian Computational Fluid Dynamics Conference (ACFD8) Volume: (CDROM) Pages: 7-7
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Acceleration of Supercritical-fluid Flow Computation using an Accurate Look-up Table of Thermophysical Properties (2010)
  • Author(s): Takashi Furusawa, Yasuhiro Sasao, Kentaro Sano, Satoru Yamamoto
  • Journal Title: Proceedings of the 8th Asian Computational Fluid Dynamics Conference (ACFD8) Volume: (CDROM) Pages: 6-6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Segment-Parallel Predictor for FPGA-based Hardware Compressor and Decompressor of Floating-Point Data Streams to Enhance Memory I/O Bandwidth (2010)
  • Author(s): Kentaro Sano, Kazuya Katahira, Satoru Yamamoto
  • Journal Title: Proceedings of the Data Compression Conference (DCC) Pages: 416-425
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 精度保証付き参照テーブルによる超臨界流体計算の高速化 (2009)
  • Author(s): 笹尾泰洋, 佐野健太郎, 古澤卓, 山本悟
  • Journal Title: ハイパフォーマンスコンピューティングと計算科学シンポジウム(HPCS2009)論文集 Pages: 17-23
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Performance Evaluation of Finite-Difference Time-Domain (FDTD) Computation Accelerated by FPGA-based Custom Computing Machine (2009)
  • Author(s): Kentaro Sano, Yoshiaki Hatsuda, Wang Luzhou, Satoru Yamamoto
  • Journal Title: Interdisciplinary Information Sciences Volume: 15 Pages: 67-78
  • NAID: 110007317981
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 差分法専用計算機におけるFPGA間時分割通信機構の遅延評価 (2009)
  • Author(s): 王陸洲, 佐野健太郎, 初田義明, 飯塚尊則, 山本悟
  • Journal Title: 第8回情報科学技術フォーラム(FIT)論文集 Volume: 1 Pages: 189-196
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] FPGAを用いた浮動小数点データストリーム高速圧縮のためのアルゴリズムの検討 (2009)
  • Author(s): 佐野健太郎, 片平和也, 山本悟
  • Journal Title: 第37回可視化情報シンポジウム講演論文集 Volume: 29 Pages: 49-54
  • NAID: 10025308575
• [Journal Article] FPGAによるHPCのためのストリーム計算に関する一検討-2次元ヤコビ法のためのスケーラブルパイプラインモジュールの設計と評価 (2009)
  • Author(s): 佐野健太郎, 初田義明, 大坪靖周, 山本悟
  • Journal Title: 電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会 信学技法 Volume: 109 Pages: 113-118
  • NAID: 110007386751
• [Journal Article] 反復解法のストリーム実行のためのパイプライン型専用計算機に関する一検討 (2009)
  • Author(s): 初田義明, 佐野健太郎, 山本悟
  • Journal Title: 第23回数値流体力学シンポジウム講演論文集 Volume: (CDROM) Pages: 5-5
• [Journal Article] 数値データ圧縮ハードウェアによる格子ボルツマン法専用計算機のメモリ帯域向上に関する一考察 (2009)
  • Author(s): 片平和也, 佐野健太郎, 山本悟
  • Journal Title: 第23回数値流体力学シンポジウム講演論文集 Volume: (CDROM) Pages: 5-5
• [Presentation] Performance Evaluation of FPGA-based Custom Accelerators for Iterative Linear-Equation Solvers (2011)
  • Author(s): Kentaro Sano, Yoshiaki Hatsuda and Satoru Yamamoto
  • Organizer: Proceedings of the 20th AIAA Computational Fluid Dynamics Conference
  • Place of Presentation: Convention Center in Waikiki, Hawaii, USA
  • Year and Date: 2011-06-27
• [Presentation] 浮動小数点データ圧縮ハードウェアのための複数ストリーム符号化方式 (2011)
  • Author(s): 佐野健太郎, 片平和也, 山本悟
  • Organizer: 電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会信学技法
  • Place of Presentation: 北海道大学工学部(招待講演)
  • Year and Date: 2011-05-21
• [Presentation] 浮動小数点データ圧縮ハードウェアのための複数ストリーム符号化方式 (2011)
  • Author(s): 佐野健太郎, 片平和也, 山本悟
  • Organizer: 電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会
  • Place of Presentation: 横浜市港北区日吉慶應義塾大学
  • Year and Date: 2011-01-18
• [Presentation] 格子ボルツマン法専用計算機に用いる数値データ圧縮ハードウェアの設計と評価 (2010)
  • Author(s): 片平和也, 佐野健太郎, 山本悟
  • Organizer: 第24回数値流体力学シンポジウム講演論文集
  • Place of Presentation: 横浜市港北区日吉慶應義塾大学
  • Year and Date: 2010-12-20
• [Presentation] 差分法に基づく数値シミュレーション高速化のための大規模FPGAアレイ (2010)
  • Author(s): 王陸洲, 佐野健太郎, 山本悟
  • Organizer: 第24回数値流体力学シンポジウム講演論文集
  • Place of Presentation: 横浜市港北区日吉慶應義塾大学
  • Year and Date: 2010-12-20
• [Presentation] 低帯域メモリで高性能反復計算を実現するスケーラブルカスタムパイプラインアクセラレータ (2010)
  • Author(s): 佐野健太郎, 初田義明, 金澤彗, 山本悟
  • Organizer: 第24回数値流体力学シンポジウム講演論文集
  • Place of Presentation: 横浜市港北区日吉慶應義塾大学
  • Year and Date: 2010-12-20
• [Presentation] 低帯域メモリで高性能反復計算を実現するスケーラブルカスタムパイプラインアクセラレータ (2010)
  • Author(s): 佐野健太郎
  • Organizer: 第24回数値流体力学シンポジウム
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学,日吉
  • Year and Date: 2010-12-20
• [Presentation] 差分法に基づく数値シミュレーション高速化のための大規模FPGAアレイ (2010)
  • Author(s): 王陸洲
  • Organizer: 第24回数値流体力学シンポジウム
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学,日吉
  • Year and Date: 2010-12-20
• [Presentation] 格子ボルツマン法専用計算機に用いる数値データ圧縮ハードウェアの設計と評価 (2010)
  • Author(s): 片平和也
  • Organizer: 第24回数値流体力学シンポジウム
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学,日吉
  • Year and Date: 2010-12-20
• [Presentation] Local-and-Global Stall Mechanism for Systolic Computational-Memory Array on Extensible Multi-FPGA System (2010)
  • Author(s): Wang Luzhou
  • Organizer: the International Conference on Field-Programmable Technology (ICFPT2010)
  • Place of Presentation: 精華大学,北京,中国
  • Year and Date: 2010-12-08
• [Presentation] 高性能リコンフィギャラブル計算とその課題 (2010)
  • Author(s): 佐野健太郎
  • Organizer: 戦略的高性能計算システム開発に関する第2回ワークショップ
  • Place of Presentation: 秋葉原
  • Year and Date: 2010-11-27
• [Presentation] メモリ帯域向上のための浮動小数点データストリームロスレス圧縮ハードウェア (2010)
  • Author(s): 佐野健太郎, 片平和也, 山本悟
  • Organizer: 電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会
  • Place of Presentation: 浜松市静岡大学
  • Year and Date: 2010-09-17
• [Presentation] メモリ帯域向上のための浮動小数点データストリームロスレス圧縮ハードウェア (2010)
  • Author(s): 佐野健太郎
  • Organizer: 電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会
  • Place of Presentation: 静岡大学
  • Year and Date: 2010-09-17
• [Presentation] FPGA-based Lossless Compressors of Floating-Point Data Streams to Enhance Memory Bandwidth (2010)
  • Author(s): Kazuya Katahira
  • Organizer: the International Conference on Application-specific Systems, Architectures and Processors (ASAP)
  • Place of Presentation: Rennes, France
  • Year and Date: 2010-07-09
• [Presentation] Custom Computing for Efficient Acceleration of HPC Kernels (2010)
  • Author(s): Kentaro Sano
  • Organizer: the International Workshop on Highly-Efficient Accelerators and Reconfigurable Technologies (HEART2010)
  • Place of Presentation: つくば国際会議場
  • Year and Date: 2010-06-01
• [Presentation] Prototype Implementation of Array-Processor Extensible over Multiple FPGAs for Scalable Stencil Computation (2010)
  • Author(s): Wang Luzhou
  • Organizer: the International Workshop on Highly-Efficient Accelerators and Reconfigurable Technologies (HEART2010)
  • Place of Presentation: つくば国際会議場
  • Year and Date: 2010-06-01
• [Presentation] Custom Computing with Reconfigurable Technologies for Efficient Accele ration of CFD Kernels (2010)
  • Author(s): Kentaro Sano
  • Organizer: the 22nd International Conference on Parallel Computational Fluid Dynamics (ParCFD2010)
  • Place of Presentation: 高雄,台湾
  • Year and Date: 2010-05-19
• [Presentation] 複数FPGA上で動作するスケーラブルアレイプロセッサのためのGALS設計 (2010)
  • Author(s): 王陸洲, 佐野健太郎, 山本悟
  • Organizer: 電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会
  • Place of Presentation: 長崎県長崎市伊王島やすらぎ温泉
  • Year and Date: 2010-05-14
• [Presentation] 複数FPGA上で動作するスケーラブルアレイプロセッサのためのGALS設計 (2010)
  • Author(s): 佐野健太郎
  • Organizer: 電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会
  • Place of Presentation: 長崎市伊王島
  • Year and Date: 2010-05-14
• [Presentation] Segment-Parallel Predictor for FPGA-based Hardware Compressor and Decompressor of Floating-Point Data Streams to Enhance Memory I/O Bandwidth (2010)
  • Author(s): Kentaro Sano
  • Organizer: Proceedings of the Data Compression Conference (DCC)
  • Place of Presentation: Salt Lake City, Utah, USA
  • Year and Date: 2010-03-26
• [Presentation] Applying Data-Compression to Enhancing Memory Bandwidth of Custom Computing Machines for Computational Fluid Dynamics (2010)
  • Author(s): Kentaro Sano
  • Organizer: the 8th Asian Computational Fluid Dynamics Conference (ACFD8)
  • Place of Presentation: Hong Kong, China
  • Year and Date: 2010-01-11
• [Presentation] Acceleration of Supercritical-fluid Flow Computation using an Accurate Look-up Table of Thermophysical Properties (2010)
  • Author(s): Takashi Furusawa
  • Organizer: the 8th Asian Computational Fluid Dynamics Conference (ACFD8)
  • Place of Presentation: Hong Kong, China
  • Year and Date: 2010-01-11
• [Presentation] スケーラブルパイプラインアーキテクチャによるステンシル計算と実効メモリ帯域向上のための可逆データ圧縮ハードウェア (2009)
  • Author(s): 佐野健太郎
  • Organizer: 第1回アクセラレーション技術発表討論会
  • Place of Presentation: 日立中央研究所
  • Year and Date: 2009-12-25
• [Presentation] カスタムコンピューティングマシンによる高性能計算に向けて (2009)
  • Author(s): 佐野健太郎
  • Organizer: 電子情報通信学会北陸支部講演会
  • Place of Presentation: 北陸先端科学技術大学院大学
  • Year and Date: 2009-12-22
• [Presentation] 数値データ圧縮ハードウェアによる格子ボルツマン法専用計算機のメモリ帯域向上に関する一考察 (2009)
  • Author(s): 片平和也, 佐野健太郎, 山本悟
  • Organizer: 第23回数値流体力学シンポジウム講演論文集
  • Place of Presentation: 仙台市市民会館
  • Year and Date: 2009-12-16
• [Presentation] 反復解法のストリーム実行のためのパイプライン型専用計算機に関する一検討 (2009)
  • Author(s): 初田義明, 佐野健太郎, 山本悟
  • Organizer: 第23回数値流体力学シンポジウム講演論文集
  • Place of Presentation: 仙台市市民会館
  • Year and Date: 2009-12-16
• [Presentation] 反復解法のストリーム実行のためのパイプライン型専用計算機に関する一検討 (2009)
  • Author(s): 初田義明
  • Organizer: 第23回数値流体力学シンポジウム
  • Place of Presentation: 仙台市民会館
  • Year and Date: 2009-12-16
• [Presentation] 数値データ圧縮ハードウェアによる格子ボルツマン法専用計算機のメモリ帯域向上に関する一考察 (2009)
  • Author(s): 片平和也
  • Organizer: 第23回数値流体力学シンポジウム
  • Place of Presentation: 仙台市民会館
  • Year and Date: 2009-12-16
• [Presentation] FPGAによるHPCのためのストリーム計算に関する一検討-2次元ヤコビ法のためのスケーラブルパイプラインモジュールの設計と評価 (2009)
  • Author(s): 佐野健太郎
  • Organizer: 電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会
  • Place of Presentation: 宇都宮大学
  • Year and Date: 2009-09-18
• [Presentation] FPGAと高性能数値計算 (2009)
  • Author(s): 佐野健太郎
  • Organizer: 日本機械学会2009年度年次大会講演資料集(先端技術フォーラム)
  • Place of Presentation: 盛岡大学
  • Year and Date: 2009-09-15
• [Presentation] 差分法専用計算機におけるFPGA間時分割通信機構の遅延評価 (2009)
  • Author(s): 王陸洲, 佐野健太郎, 初田義明
  • Organizer: 第8回情報科学技術フォーラム(FIT)論文集
  • Place of Presentation: 仙台市東北工業大学
  • Year and Date: 2009-09-04
• [Presentation] 差分法専用計算機におけるFPGA間時分割通信機構の遅延評価 (2009)
  • Author(s): 王陸洲
  • Organizer: 第8回情報科学技術フォーラム(FIT)
  • Place of Presentation: 東北工業大学
  • Year and Date: 2009-09-04
• [Presentation] FPGAを用いた浮動小数点データストリーム高速圧縮のためのアルゴリズムの検討 (2009)
  • Author(s): 佐野健太郎
  • Organizer: 第37回可視化情報シンポジウム
  • Place of Presentation: 工学院大学
  • Year and Date: 2009-07-21
• [Presentation] HPCとカスタムコンピューティングマシン (2009)
  • Author(s): 佐野健太郎
  • Organizer: HPCワークショップ金沢2009
  • Place of Presentation: ホテル日航金沢
  • Year and Date: 2009-05-26
• [Remarks]
  • URL: http://www.caero.mech.tohoku.ac.jp
• [Remarks]
  • URL: http://www.caero.mech.tohoku.ac.jp/