A GPU acceleration of 3-D Fourier reconstruction in cryo-EM

Cryo-elektronova mikroskopie je oblibena metoda pro determinaci struktury makromolekul. Rekonstrukce 3D objektu z hrubých dat zazkaných z mikroskopu je vysoce výpocetně narocna. Proto ma akcelerace rekonstrukce vysokou praktickou hodnotu. V tomto clanku představujeme nový pro GPU architekturu vhodný algoritmus sloužici k přime Fourierově rekonstrukci, což je jedna z výpocetně nejnarocnějsich casti rekonstrukce 3D objektu v některých experimentech (předevsim v takových, kde je použit velký pocet obrazků s vysokou vnitřni symetrii). Ve srovnani se soucasným stavem poznani využiva nas algoritmus gather přistup do paměti, což zlepsuje cache lokalitu a odstraňuje race conditions v paralelnim zapisu do 3D objemu. Představujeme take detailně vyladěnou CUDA implementaci algoritmu, ktera využiva autotuning pro vyhledani kombinace parametrů maximalizujich výkon na dane GPU architektuře. Nase CUDA implementace je integrovana v siroce použivanem nastroji Xmipp verze 3.19 a dosahuje 11.4x zrychleni ve srovnani s původni paralelni CPU implementaci při použiti GPU s obdobnou spotřebou. Navic jsme dosahli 31.7x zrychleni při použiti ctyř GPU a 2.14x až 5.96x zrychleni oproti optimalizovane GPU implementaci založene na scatter přistupu do paměti.