量子動(dòng)力學(xué)中并行算法的發(fā)展與應(yīng)用.pdf

1、本文針對(duì)量子動(dòng)力學(xué)理論研究中并行算法問題，發(fā)展了Shepard插值方法的計(jì)算勢(shì)能的GPU算法;研究了范德華體系振轉(zhuǎn)光譜的束縛態(tài)理論計(jì)算的MPI/OpenMP并行算法;研究了X+NH3反應(yīng)的七維量子動(dòng)力學(xué)理論方法和MPI/OpenMP并行算法，并應(yīng)用于研究Cl(2P)+NH3/ND3反應(yīng)。本論文的研究工作如下:
　　 1.采用改進(jìn)的Shepard插值方法構(gòu)造的勢(shì)能面被廣泛用于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究，這種構(gòu)造方法通過對(duì)從頭算數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插

2、值來獲得任意構(gòu)型的能量，采用該方法構(gòu)造的勢(shì)能面精度高，能夠更精準(zhǔn)地研究化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。但是在實(shí)際運(yùn)用中，插值勢(shì)能面計(jì)算量大，從而限制了該方法的應(yīng)用。本工作基于GPU的強(qiáng)大計(jì)算能力和高度并行性特點(diǎn)，發(fā)展采用Shepard插值方法計(jì)算勢(shì)能的GPU新算法。并以H+H2O(→)H2+OH，H+NH3(→)H2+NH2，H+CH4(→)H2+CH3這3個(gè)反應(yīng)的勢(shì)能面為例對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)GPU算法相對(duì)CPU算法具有明顯的優(yōu)越性，并且GPU加速比

3、隨著體系增大而增大，隨著數(shù)據(jù)點(diǎn)增加而增加。
　　 2.范德華體系振轉(zhuǎn)光譜的束縛態(tài)理論計(jì)算需求精確求解Schrodinger方程，由于體系的波函數(shù)展開為各個(gè)坐標(biāo)基函數(shù)的乘積，所以體系基函數(shù)的大小隨原子數(shù)增加呈指數(shù)增加，計(jì)算時(shí)間和內(nèi)存需求也隨之增加。需要應(yīng)用并行化計(jì)算方案使計(jì)算得以實(shí)現(xiàn)。我們針對(duì)線性分子-線性分子組成的范德華體系振轉(zhuǎn)光譜的理論研究，開發(fā)了束縛態(tài)計(jì)算的并行算法，采用節(jié)點(diǎn)間采用MPI和節(jié)點(diǎn)內(nèi)采用OpenMP的并行方案，并

4、針對(duì)N2O-N2O體系驗(yàn)證了該并行算法，結(jié)果顯示計(jì)算效率明顯提高，加速比是1.67倍到8.6倍。
　　 3.Cl+NH3在過渡態(tài)前后都有較深的勢(shì)阱，對(duì)量子動(dòng)力學(xué)理論計(jì)算提出了挑戰(zhàn)。在動(dòng)力學(xué)計(jì)算中，我們采用X+YCZ2類型的七維量子動(dòng)力學(xué)模型，其中不參與反應(yīng)的NH2基團(tuán)在反應(yīng)過程中保持不變，采用該模型我們對(duì)Cl+NH3和Cl+ND3兩個(gè)反應(yīng)進(jìn)行了研究，計(jì)算結(jié)果顯示Cl+NH3和Cl+ND3有相似的動(dòng)力學(xué)行為，而且反應(yīng)幾率都是非常小