天河2號上一種分子動力學模擬軟件AMBER的并行化加速技術(shù)研究.pdf

1、分子動力學模擬是一種對原子和分子的物理運動進行計算機模擬的方法，隨著分子動力學模擬方法的不斷改進和完善，其功能越來越豐富，模擬的分子體系規(guī)模和時間長度也一直在增長。然而，大規(guī)模原子體系進行微秒級的分子動力學模擬需要耗費大量的計算資源和時間，當前現(xiàn)有的服務器和分子動力學模擬算法已經(jīng)無法及時有效的處理如此大規(guī)模的動力學模擬任務。本課題就是針對上述問題，根據(jù)天河2號超算系統(tǒng)上的大規(guī)模CPU-MIC微異構(gòu)體系結(jié)構(gòu)，對最常用的分子動力學模擬軟件A

2、ssisted Model Building with Energy Refinement(AMBER)進行并行算法設計和優(yōu)化加速研究。在保證結(jié)果正確的前提下，在不同層次上和規(guī)模上對AMBER進行深度并行優(yōu)化，主要研究工作如下：
　　首先，針對AMBER軟件包的sander程序，在CPU上對其進行細粒度的并行優(yōu)化。sander作為AMBER軟件包的模擬器程序，是分子動力學模擬的核心。針對sander程序熱點部分，提出了去除循環(huán)依賴

3、、改進數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等手段，基于OpenMP編程技術(shù)，實現(xiàn)了對分子動力學模擬程序 AMBER-sander細粒度并行優(yōu)化加速。我們還利用MIC（Many Integrated Cores）協(xié)處理器Intel Xeon Phi超強的并行計算能力，將AMBER-sander的核心計算任務移植到MIC上，首次實現(xiàn)了基于MIC的分子動力學模擬程序 AMBER-sander的并行加速。相比原來的 AMBER-sander程序，基于MIC的sander-

4、mic獲得了3-4倍的加速。
　　其次，為了充分利用CPU與MIC的計算資源，我們設計和實現(xiàn)了面向天河2號的CPU與MIC微異構(gòu)協(xié)同的分子動力學模擬并行優(yōu)化算法。提出了內(nèi)存管理優(yōu)化、數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化、通信延遲隱藏、向量化以及負載均橫等多種并行優(yōu)化方法，在單節(jié)點上，對分子動力學模擬軟件 AMBER-sander實現(xiàn)了5-6倍的加速，把單CPU單MIC協(xié)同并行加速擴展到面向天河2號的單節(jié)點多CPU多MIC卡的協(xié)同并行。
　　最后，通

5、過對 AMBER-sander的可擴展性進行分析，在多節(jié)點層面對其進行并行加速。對于分子動力學模擬算法本身而言，由于迭代次數(shù)多，每次迭代都需要進行數(shù)據(jù)規(guī)約和數(shù)據(jù)分發(fā)，通信開銷成為多節(jié)點并行加速的一個主要問題和瓶頸。我們在保證計算結(jié)果的誤差在一定范圍內(nèi)，對算法進行了跨節(jié)點并行優(yōu)化，由原來的每一次迭代都要進行數(shù)據(jù)規(guī)約操作，變成每隔固定次迭代再進行數(shù)據(jù)規(guī)約操作，使得通信開銷大大減少，程序可以在天河2號多個節(jié)點上高效地運行，全面提高了程序的并行