基于openmp的multi-critical分子动力学并行算法优化研究

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1、重庆邮电大学硕士论文第一章绪论1．1选题背景第一章绪论分子动力学(MolecularDynamics，简称MD)模拟是一种分子模拟方法，指对原子或分子等粒子所构成的多体系统，用积分这些粒子运动方程的方式来计算它们的运动过程，体系中粒子间的相互作用和自身运动符合牛顿运动定律川。以积分的结果数据为基础来对体系的宏观性质和其它物理量进行计算，也可以通过可视化模拟软件观察模拟体系的微观结构和性质的变化过程【2】。因此它被广泛应用于物理科学、材料科学、生命科学等领域，并且取得了举世瞩目的成绩【3J。在实际的模拟过程中，为了使分子动力学模拟的计算结果能够与现实的模拟实验结果更加接近，在模拟条件的选

2、取上需要尽可能增加体系中粒子的数量，并且模拟的时间上也尽可能长。在模拟体系上，粒子数量会达到百万级，甚至千万级；在模拟时间上，需要进行百万步的模拟，而这仅仅相当于实际实验中的几个纳秒时间。由于模拟体系大、时间长使得分子动力学模拟计算相当耗费计算资源【4】。所以，要提高分子动力学对大规模大体系的模拟精度和效率，使用并行算法进行优化有着非常重要的作用。在现有工艺下，依靠提高处理器的主频来提升计算性能已经难有很大的突破，各大处理器厂商普遍采用在单个处理器上集成更多核心来提升性能。当今的并行计算机中普遍采用对称多处理器(SymmetricMulti．Processor，SMP)结构和单芯片多处

3、理器(ChipMulti．Processors，CMP)结构t51。SMP是最通用的共享存储的并行体系结构，在这种体系结构下，节点间通过总线联接并且共享系统内存，从而达到数据共享与通信的目的，并且便于负载均衡；CMP是最早由美国斯坦福大学提出的，其理论思想是将多个处理器核心集成到一个物理芯片上，各处理器核心共享缓存，使得核心之间的通信延迟明显降低，通信效率显著提高，提升了整体的运算性能。单芯片多处理器CMP的出现，是计算机科学技术发展的必然方向。由于单核心处理器受限于发热量和功耗，无法通过提高主频来提升性能，所以通过增加核心的方式来提升性能是必然选择。在CMP体系结构中，同一芯片中的处

4、理核心拥有相同的对等级别，共享整个体系的硬件设备与软件环境，并且对任务和中断的处理上有相同的优先级。CMP已经成为当今共享存储并行体系的主流模型，其良好的发展前景和广泛应用空间，使得很多大学、科研机构、商业公司都在对其进行研究并在实际中进行应用。CMP与SMP的区别是：CMP的核间通讯带宽比SMP大得多，从而不会成为核心之间通信的性能瓶颈，CMP的核间延迟比SMP小得多，重庆邮电大学硕士论文第一章绪论CMP可以提供新的轻量级的一致性和同步原语，使得优化与设计相对简单。但是CMP受限于硬件的发展，到2012年3月，CMP主流平台上CPU的最大核心个数为8，所以CMP的扩展性受到限制。目前

5、硬件厂商采用的方法是将CMP与SMP结合的方式来提升扩展性能和运算性能。本文所涉及的实验测试平台是在此类型的硬件平台上完成的。如何将串行的程序移植到SMP与CMP平台上并行执行，并且取得良好的加速比和并行效率是优化分子动力模拟计算的主要问题。1．2研究现状计算机科学技术的飞速发展给分子动力学模拟带来了新的活力，使科研工作者可以得到在实验环境中无法获得或者很难获得的数据。虽然分子动力学模拟还不能完全代替真实的实验环境，但是它也为从事科学理论的研究工作人员提供了重要的方法来验证理论与预测的正确性。1957年，Alder和Wainwright率先采用经典分子动力学方法模拟计算了硬球模型下的气

6、体和液体的状态方程【6，7l，并取得了阶段性的成果，也使得使用分子动力学模拟宏观物质成为可能。然而由于当时硬件条件的局限性，模拟体系的规模和步长的大小受到了很大的限制。1972年Less等人改进了该方法，使其成为具有速度梯度的非平衡系统。1980年Anderson等人提出了用Hamilton量来研究恒压分子动力学方法【8】。1983年Gillan等人在一个存在温度变化梯度的非平衡系统中进一步延伸了该方法，创造出了非平衡系统分子动力学研究方法。1984年Nose等人创建了恒温分子动力学，创造并使用了Nose恒温箱来模拟恒温下的正则系综。1985年Car和Parrinello提出了一种新的

7、方法，该方法将电子的质量和运动引入到了运动方程中，使对电子结构的计算不需要在每一步分子动力学模拟中都进行计算，减少了计算时间与计算资源，这种方法被称为基于密度泛函的分子动力学模拟算法【9】。该方法使得分子动力学模拟进入了成熟时期，也使分子动力学渐渐实用化。从上世纪80年代开始，随着硬件技术的快速发展，分子动力学模拟技术也逐渐成为实验的有效补充方法，进而也推动了物理研究，化学化工研究，生物医药研究的进程。为了提高分子动力学模拟计算的效率，将并行计