分子動(dòng)力學(xué)模擬中Cache訪問的優(yōu)化研究.pdf

1、隨著高性能計(jì)算的發(fā)展，多核處理器逐漸成為微處理器的主流。在微處理器體系結(jié)構(gòu)邁進(jìn)多核時(shí)代的過程中，大部分多核心微處理器采用層次化多級(jí)緩存結(jié)構(gòu)來緩解CPU和主存儲(chǔ)器之間速度不匹配的矛盾。分子動(dòng)力學(xué)(Molecular Dynamics，MD)模擬是高性能計(jì)算領(lǐng)域的重要應(yīng)用之一，在計(jì)算物理和計(jì)算化學(xué)等諸多科學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。為了使得MD模擬結(jié)果更加接近真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在模擬計(jì)算過程中要盡可能增加模擬體系的粒子個(gè)數(shù)和延長模擬時(shí)間，這個(gè)要求使得

2、MD模擬過程相當(dāng)耗時(shí)和計(jì)算機(jī)資源?？蒲泄ぷ髡叱２捎貌⑿杏?jì)算的方法去實(shí)現(xiàn)模擬，這樣可以充分利用有限的計(jì)算機(jī)資源和準(zhǔn)確快速得到模擬結(jié)果，但是在多核處理器平臺(tái)下進(jìn)行并行計(jì)算時(shí)，緩存競爭較為突出。通過優(yōu)化使得緩存命中率達(dá)到一個(gè)比較高的水平已成為緩解緩存競爭的研究熱點(diǎn)。
　　 本文通過對(duì)MD模擬程序進(jìn)行研究，并分析該領(lǐng)域已有緩存優(yōu)化算法的研究現(xiàn)狀和不足，在此基礎(chǔ)上對(duì)分層算法進(jìn)行改進(jìn)，提高了緩存的命中率。主要研究內(nèi)容包括：⑴介紹了并行計(jì)算的

3、發(fā)展歷史和思想，在此基礎(chǔ)闡述了并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和其中多層次緩存工作原理，并對(duì)文中使用的并行編程模型OpenMP進(jìn)行介紹。分析和研究了分子動(dòng)力學(xué)模擬中的基本原理和概念。上述工作為以后的優(yōu)化奠定了理論基礎(chǔ)。⑵在分析MD模擬領(lǐng)域已有的緩存優(yōu)化算法之后，發(fā)現(xiàn)分層算法在模擬中對(duì)粒子進(jìn)行分層處理時(shí)，一些粒子的公共近鄰粒子在內(nèi)存中位置分散的可能性較大，導(dǎo)致較差的粒子分布。本文針對(duì)上述缺點(diǎn)對(duì)分層算法進(jìn)行優(yōu)化，得到Atoms-reorder優(yōu)化算法。該