基于OpenMP的Multi-Critical分子動(dòng)力學(xué)并行算法優(yōu)化研究.pdf

1、分子動(dòng)力學(xué)模擬是一種利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律來(lái)模擬分子運(yùn)動(dòng)過(guò)程的方法，給定粒子初始狀態(tài)的位置和速度，通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行積分，從而求得粒子在下一時(shí)刻的位置和速度。這樣就能記錄下每一時(shí)刻粒子的位置，獲取粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，再通過(guò)統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法得到模擬系統(tǒng)的特性，最后得到物質(zhì)的宏觀性質(zhì)。因此分子動(dòng)力學(xué)模擬廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如材料力學(xué)、生命科學(xué)、氣候模擬等學(xué)科中。
　　 為了使分子動(dòng)力學(xué)模擬的計(jì)算結(jié)果能夠更加準(zhǔn)確地反映物質(zhì)的宏觀性質(zhì)，通常需要模擬

2、體系的粒子個(gè)數(shù)盡可能的多，模擬盡可能長(zhǎng)時(shí)間的物理化學(xué)反應(yīng)，這使得分子動(dòng)力學(xué)模擬會(huì)非常耗費(fèi)計(jì)算時(shí)間，并且需要進(jìn)行模擬的硬件平臺(tái)擁有更高的計(jì)算性能。目前處理器制造商普遍采用在單個(gè)處理器上集成更多核心的方式來(lái)提升計(jì)算性能。為了使模擬計(jì)算更加快速與高效，需要將已有分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算方法進(jìn)行并行優(yōu)化，并將其運(yùn)用到SMP和CMP平臺(tái)上，以加快模擬過(guò)程和縮短模擬時(shí)間。
　　 本文根據(jù)并行計(jì)算基本理論，對(duì)分子動(dòng)力學(xué)模擬使用OpenMP進(jìn)行并行算

3、法優(yōu)化。本文的主要工作如下:
　　 首先，介紹了并行計(jì)算機(jī)理論研究的歷史與并行計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)的發(fā)展，當(dāng)前主流的并行體系處理器，以及本文所涉及到的共享存儲(chǔ)的并行編程模型OpenMP。詳細(xì)描述了分子動(dòng)力學(xué)模擬算法的原理與步驟，模擬計(jì)算的過(guò)程和計(jì)算過(guò)程中需要選取的勢(shì)函數(shù)、積分算法、系綜等一系列條件。對(duì)處于平衡態(tài)的流體使用串行算法進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)的模擬，并在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下選擇OpenMP并行編程模型來(lái)進(jìn)行算法的優(yōu)化。
　　 其次

4、，分析并行算法中性能的制約點(diǎn)，將其優(yōu)化。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn):在對(duì)共享力數(shù)組進(jìn)行更新時(shí)（稱(chēng)之為Critical算法），同一時(shí)刻只有一個(gè)線(xiàn)程能進(jìn)入臨界區(qū)，其他線(xiàn)程必須等待該線(xiàn)程執(zhí)行完畢，相當(dāng)于在這段時(shí)間內(nèi)程序串行執(zhí)行;同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)在整個(gè)模擬過(guò)程中，粒子間作用力的計(jì)算占整個(gè)模擬時(shí)間的80％-90％，所以如果將這段操作并行優(yōu)化，整個(gè)模擬的運(yùn)算時(shí)間將會(huì)減少，并且效率也會(huì)有很大的改進(jìn)。介于此，本文提出了一種改進(jìn)方法——Multi-Critical算法，大

5、大提高程序的加速比與并行效率。在Critical算法中，線(xiàn)程在計(jì)算完粒子間相互作用力之后，既要更新到共享力數(shù)組，又要更新到私有副本數(shù)組。此方法除了在臨界區(qū)內(nèi)串行執(zhí)行，降低了模擬的并行效率之外，還對(duì)共享數(shù)組進(jìn)行頻繁的讀寫(xiě)，也降低了程序的效率。Multi-Critical算法將其優(yōu)化為:線(xiàn)程計(jì)算的粒子間作用力更新到該線(xiàn)程私有副本矩陣，并應(yīng)用分布式競(jìng)爭(zhēng)的方法，將矩陣的更新分塊操作，共享矩陣的更新操作放在不同的臨界區(qū)內(nèi)并行執(zhí)行。該算法在多個(gè)Cr