Υλοποίηση και επιτάχυνση προσομοιωτή νευρώνων σε CUDA C

Νεοφύτου, Αλέξανδρος; Neofytou, Alexandros

dc.contributor.author	Νεοφύτου, Αλέξανδρος	el
dc.contributor.author	Neofytou, Alexandros	en
dc.date.accessioned	2020-05-27T11:25:21Z
dc.date.available	2020-05-27T11:25:21Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/50692
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.18390
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού - Παρόμοια Διανομή 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/gr/	*
dc.subject	Προσομοίωση νευρώνων	el
dc.subject	Neuron simulation	en
dc.subject	Παραλληλοποίηση	el
dc.subject	Παράλληλος προγραμματισμός	el
dc.subject	Parallelization	en
dc.subject	NVIDIA	en
dc.subject	CUDA	en
dc.subject	Parallel programming	en
dc.title	Υλοποίηση και επιτάχυνση προσομοιωτή νευρώνων σε CUDA C	el
dc.title	Implementation and acceleration of neuron simulator with CUDA C	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Παράλληλος προγραμματισμός	el
heal.classification	Parallel computing	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-06-20
heal.abstract	Η νευροεπιστήμη είναι η επιστημονική μελέτη του νευρικού συστήματος και της σχέσης των νευρώνων με τη συμπεριφορά και τη μάθηση. Η μεγαλύτερη προσπάθεια για τους νευροεπιστήμονες επικεντρώνεται στον εγκέφαλο, καθώς η αυξημένη κατανόησή του οδηγεί σε πιο σαφή κατανόηση της ανθρώπινης συνείδησης. Ενώ τα περισσότερα πειράματα στο παρελθόν διεξήχθησαν σε εξειδικευμένα εργαστήρια που μελετούσαν τμήματα πραγματικών εγκεφαλικών νευρώνων, στη σύγχρονη νευροεπιστήμη οι υπολογιστές χρησιμοποιούνται ευρέως για την προσομοίωση βιολογικών νευρωνικών δικτύων με μεγάλη λεπτομέρεια και πολυπλοκότητα. Αυτές οι προσομοιώσεις επιτρέπουν την απεικόνιση δικτύων μεγαλύτερου μεγέθους, βοηθώντας τους περαιτέρω στην έρευνά τους. Προκειμένου να συνεχιστεί η εξέλιξη του συγκεκριμένου επιστημονικού κλάδου, χρησιμοποιούνται ακόμα πιο ευρεία και σύνθετα δίκτυα νευρώνων σε προσομοιώσεις, δημιουργώντας την ανάγκη για επιτάχυνση προσομοίωσης σε διαφορετικές πλατφόρμες και αρχιτεκτονικές που χρησιμοποιούνται από τα αντίστοιχα εργαστήρια. Ενώ υπάρχουν αρκετοί προσομοιωτές για μια ευρεία επιλογή προσομοιώσεων μοντέλων νευρώνων, η πλειονότητα δεν είναι βελτιστοποιημένη για σύγχρονα συστήματα υπολογιστών και συνεπώς δεν επιτυγχάνει βέλτιστη απόδοση, καθυστερώντας τους νευροεπιστήμονες από σημαντικά συμπεράσματα που προκύπτουν από τα αποτελέσματα προσομοίωσης. Αυτή η διπλωματική εργασία στοχεύει να κατευνάσει την ανάγκη για επιταχυνόμενη προσομοίωση χρησιμοποιώντας το CUDA API για επιτάχυνση σε ένα σύστημα NVIDIA GPU. Το μοντέλο στο οποίο επικεντρώνεται αυτή η εργασία είναι το μοντέλο νευρώνα Adaptive Exponential Integrate-and-Fire με Spike-Timing Dependent Plasticity στις συνάψεις του, που χρησιμοποιείται ευρέως στη σύγχρονη έρευνα. Η αρχική προσομοίωση εισήχθη αρχικά από τον προσομοιωτή Brian σε ένα νέο προσομοιωτή γραμμένο στη γλώσσα προγραμματισμού C και στη συνέχεια αναπτύχθηκε για την αποτελεσματική επιτάχυνση σε GPU. Η πλατφόρμα CUDA είναι ένα στρώμα λογισμικού που παρέχει άμεση πρόσβαση στο σύνολο εικονικών εντολών της GPU και σε παράλληλα υπολογιστικά στοιχεία για γενικές εφαρμογές προγραμματισμού. Αυτή η υλοποίηση ήταν επιτυχής στην επιτάχυνση της προσομοίωσης νευρώνων πάνω από 100 φορές σε σύγκριση με τον προσομοιωτή Brian, περιστασιακά φτάνοντας ακόμα και ένα ρυθμό επιτάχυνσης 1000x διατηρώντας παράλληλα την ίδια λειτουργικότητα με τον προσομοιωτή Brian. Δεν υπάρχει θεωρητικό όριο στην ποσότητα νευρώνων που περιέχονται στο δίκτυο, αν και η απόδοση παρατηρήθηκε να μειώνεται σημαντικά καθώς τα όρια της μνήμης των GPU ξεπεράστηκαν. Το γεγονός αυτό αποτέλεσε σημείο ενδιαφέροντος και διερευνήθηκε περαιτέρω μαζί με άλλες παρατηρήσεις σε αυτή τη διπλωματική εργασία.	el
heal.advisorName	Σούντρης, Δημήτριος Ι.	el
heal.committeeMemberName	Πεκμεστζή, Κιαμάλ Ζ.	el
heal.committeeMemberName	Σούντρης, Δημήτριος Ι.	el
heal.committeeMemberName	Ματσόπουλος, Γεώργιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Τεχνολογίας Πληροφορικής και Υπολογιστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	false