基于SMP集群的激光化學(xué)反應(yīng)模擬并行算法的研究.pdf

1、激光化學(xué)反應(yīng)模擬是利用計(jì)算機(jī)手段模擬分子在不同參數(shù)條件激光照射下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的現(xiàn)象，計(jì)算機(jī)模擬可以得到光化學(xué)反應(yīng)過程，使某些瞬間反應(yīng)的具體細(xì)節(jié)得以研究，為實(shí)際化學(xué)反應(yīng)提供理論指導(dǎo)。在分子及電子水平上，半經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬方法可以對(duì)激光化學(xué)反應(yīng)模擬進(jìn)行精確的理論研究，并且與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)極為相似。因此，大分子體系的半經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算方法的研究便成為一個(gè)十分必要的研究課題。
　　 為了縮短半經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬的運(yùn)算時(shí)間，提高運(yùn)算效

2、率，本文根據(jù)并行計(jì)算技術(shù)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)半經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬的計(jì)算模型進(jìn)行了并行算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
　　 對(duì)半經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算的串行算法進(jìn)行測(cè)試分析，當(dāng)模擬的粒子C原子個(gè)數(shù)達(dá)到五百個(gè)時(shí)，vel-verlet模塊即力計(jì)算模塊占整個(gè)模擬程序運(yùn)行時(shí)間的96.85％，采用并行計(jì)算對(duì)該模塊進(jìn)行并行優(yōu)化是十分必要的，也具有十分重要的意義。
　　 運(yùn)用OpenMP并行技術(shù)，對(duì)半經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬的計(jì)算模型進(jìn)行線程級(jí)并行程序設(shè)計(jì)，并

3、分別在行列劃分矩陣和分塊劃分矩陣下，對(duì)并行設(shè)計(jì)模型進(jìn)行測(cè)試對(duì)比分析。在十六個(gè)線程參與模擬五百個(gè)C原子的情況下，行列劃分并行運(yùn)算時(shí)間縮短到原來的1/20，加速比達(dá)到了十四倍，并行效率也達(dá)到了80％以上；分塊劃分并行運(yùn)算時(shí)間縮短了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，加速比達(dá)到了六倍，并行效率也達(dá)到了30％以上。并且分塊劃分比行列劃分更能縮短時(shí)間，為大分子體系的模擬提供了可能性。
　　 運(yùn)用OpenMP+MPI混合模型并行技術(shù)，對(duì)半經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬的計(jì)算模

4、型進(jìn)行混合并行程序設(shè)計(jì)，并構(gòu)建SMP集群系統(tǒng)，在線程和進(jìn)程兩級(jí)并行程序下進(jìn)行測(cè)試對(duì)比分析。在十六顆CPU參與模擬三百個(gè)C原子的情況下，并行運(yùn)算時(shí)間為773.716s，加速比達(dá)到了六倍，并行效率達(dá)到了70％以上。為大分子體系在不同平臺(tái)下的擴(kuò)展提供了可能性。
　　 對(duì)力計(jì)算并行程序進(jìn)行整體分析，在五百個(gè)C原子參與運(yùn)算的情況下，串行程序中力計(jì)算模塊占整個(gè)程序運(yùn)算時(shí)間的96％以上，而并行程序中有十六個(gè)CPU參與運(yùn)算的情況下，力計(jì)算模塊降