基于OpenFOAM框架的分子動力學(xué)負(fù)載均衡關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、分子動力學(xué)模擬作為一種計算機模擬方法，已廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生命科學(xué)、材料學(xué)以及醫(yī)藥等領(lǐng)域。并且，隨著人類對科學(xué)探索的深入，使用高性能計算機進行大規(guī)模分子動力學(xué)模擬已成為必然趨勢。然而，高性能計算機在帶來強大計算能力的同時也遇到了各方面的挑戰(zhàn)，如負(fù)載均衡、通信、可靠性、功耗等問題，其中負(fù)載均衡問題帶來的性能損失尤其突出。為了解決該問題，本文提出了面向并行分子動力學(xué)模擬的靜動態(tài)負(fù)載均衡方法，并基于OpenFOAM框架實現(xiàn)。本文的主要工作

2、和創(chuàng)新點包括以下幾個方面：
　　?建立了基于OpenFOAM的分子動力學(xué)負(fù)載均衡框架（第二章）
　　本文深入分析了OpenFOAM并行程序框架及其分子動力學(xué)的實現(xiàn)方法，發(fā)現(xiàn)負(fù)載不均衡會嚴(yán)重影響分子動力學(xué)的模擬效率。針對該問題，在原有OpenFOAM框架的基礎(chǔ)上建立了靜動態(tài)負(fù)載均衡機制和相應(yīng)的數(shù)據(jù)組織、計算流程、框架組成以及與其他模塊的結(jié)合方法。本文提出的面向分子動力學(xué)模擬的負(fù)載均衡框架對其他粒子方法負(fù)載均衡機制的設(shè)計具有借鑒

3、意義。
　　?提出了面向并行分子動力學(xué)模擬的靜態(tài)負(fù)載均衡方法——MDSLB（第三章）
　　本文提出了一種面向大規(guī)模分子動力學(xué)模擬的靜態(tài)負(fù)載均衡方法——MDSLB。通過對分子動力學(xué)中短程力計算特征的深入分析，我們將短程力進一步細(xì)分為三類力模型，每類力模型中涉及的計算任務(wù)又被拆分為多個細(xì)粒度的獨立計算單元，稱為“cell負(fù)載”。這些計算單元為MDSLB方法的實現(xiàn)提供了基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在MDSLB方法中，模擬區(qū)域被分為多個子區(qū)域，

4、稱為“局部空間”。每個局部空間中的cell負(fù)載被均勻地分配給各個處理器。該方法通過在程序開始時執(zhí)行一次，從而保證整個模擬過程中負(fù)載的均衡。
　　?提出了面向并行分子動力學(xué)模擬的動態(tài)負(fù)載均衡方法——MDDLB（第四章）
　　本文針對小規(guī)模分子動力學(xué)模擬提出了動態(tài)負(fù)載均衡方法——MDDLB。該方法基于OpenFOAM的cell結(jié)構(gòu)，設(shè)計了負(fù)載遷移的基本單元——近鄰粒子列表。另外，還引入了閾值檢測機制負(fù)責(zé)監(jiān)控和衡量每個處理器的負(fù)載

5、情況。當(dāng)負(fù)載不均衡的程度超過一定值時，則從負(fù)載較重的處理器將負(fù)載動態(tài)遷移到負(fù)載較輕的處理器上?；谠摲椒?，可以有效解決小規(guī)模分子動力學(xué)模擬中的負(fù)載均衡問題。
　　?驗證了負(fù)載均衡框架及MDSLB方法和MDDLB方法的正確性和有效性（第五章）
　　本文基于OpenFOAM設(shè)計實現(xiàn)了第二章所提出的分子動力學(xué)負(fù)載均衡框架，并基于該框架分別實現(xiàn)了第三、四章提出的MDSLB方法和MDDLB方法。基于TianHe-1A子系統(tǒng)使用擴散模型