基于CPU-GPU集群的分子動(dòng)力學(xué)并行計(jì)算研究.pdf

1、分子動(dòng)力學(xué)模擬是一種離散模擬的方法，是計(jì)算量非常龐大的一種模擬分子運(yùn)動(dòng)的方法。其主要是以分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為基礎(chǔ)，計(jì)算分子在一定時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)變化情況，根據(jù)計(jì)算過程中得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行定性和定量的分析，從而得到分子體系的各種物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)?，F(xiàn)已廣泛的應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物、材料、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。
　　 GPU專為密集型、高度并行化的計(jì)算而設(shè)計(jì)，CUDA技術(shù)的應(yīng)用降低了GPU通用計(jì)算開發(fā)難度。單GPU的計(jì)算能力已經(jīng)比較強(qiáng)大，但是對于具

2、有實(shí)際意義的超大規(guī)模的模擬系統(tǒng)來說，分子量高達(dá)上千萬甚至上億，這種系統(tǒng)所需要的計(jì)算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單GPU，因此發(fā)展多個(gè)GPU并行的計(jì)算體系是有一定研究和實(shí)際意義的。
　　 本文主要針對分子動(dòng)力學(xué)大規(guī)模模擬系統(tǒng)的并行計(jì)算進(jìn)行研究。搭建CPU-GPU集群并行計(jì)算平臺，集群中每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)都以CPU為主處理器GPU為協(xié)處理器，將并行數(shù)值計(jì)算部分由GPU完成，其余操作由CPU完成。以CLIDA為開發(fā)環(huán)境，完成分子動(dòng)力學(xué)模擬在此集群上的實(shí)現(xiàn)。

3、提出適合GPU計(jì)算的區(qū)域分解算法-“最小表面積法”進(jìn)行并行任務(wù)的劃分，這是一種(元胞)靜態(tài)負(fù)載平衡算法，可以一定程度的降低集群中節(jié)點(diǎn)間通信代價(jià)，同時(shí)采用元胞列表法作為鄰近分子搜索算法，有利于在GPU上的并行計(jì)算。采用MPI消息通信機(jī)制，并提出了適合本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的消息傳遞方法，根據(jù)這些算法提出了適合在CPU-GPU集群上實(shí)現(xiàn)的并行方案。
　　 從測試數(shù)據(jù)可以看出，對于大規(guī)模分子模擬系統(tǒng)的計(jì)算來說，GPU的計(jì)算能力遠(yuǎn)大于CPU的計(jì)算