Barracuda: a dynamic, Turing-complete GPU virtual machine for high-performance simulations

doi:10.1007/s11517-025-03438-3

Barracuda: a dynamic, Turing-complete GPU virtual machine for high-performance simulations

2025-09-13

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Phillip Duncan‐Gelder *

DOI：10.1007/s11517-025-03438-3

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精确模拟动态生物现象（如组织响应和疾病进展）在生物医学研究与诊断中至关重要。传统的基于GPU的模拟框架（通常是静态CUDA®环境）难以处理动态演变的参数，限制了其灵活性和临床适用性。我们介绍Barracuda，这是一个开源、轻量级、头文件式、图灵完备的虚拟机，专为无缝集成到GPU环境而设计。Barracuda通过一种表现力强的指令集和操作库，实现了实时参数扰动，该库以紧凑的C/CUDA库形式实现。专用的面向高层次编程语言和基于Rust的编译器提升了易用性，使得其能够便捷地整合到生物医学模拟工作流中。基准验证（包括Rule 110元胞自动机和Mandelbrot计算）证实了Barracuda的通用性和计算完备性。在磁共振成像（MRI）模拟中，Barracuda能够动态重新计算关键参数，例如$$T_1$$弛豫时间和温度诱导的失谐频率。尽管与静态内核相比引入了计算开销，但Barracuda通过支持关键生物过程的动态建模，显著提高了模拟精度。Barracuda的模块化架构支持逐步集成，为生物医学研究和快速原型开发提供了宝贵的灵活性。未来的发展方向旨在优化性能并扩展领域特定的指令集，进一步强化Barracuda在连接静态GPU编程与动态模拟需求方面的作用。

Keyword:

Biomedical simulations

MRI Simulation

CUDA

GPU virtual machine

Magnetic resonance imaging

Medical imaging simulation

GPU acceleration

Barracuda: a dynamic, Turing-complete GPU virtual machine for high-performance simulations

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