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

1、分子動力學(xué)模擬是一種對原子和分子的物理運(yùn)動進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬的方法，隨著分子動力學(xué)模擬方法的不斷改進(jìn)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(jìn)行微秒級的分子動力學(xué)模擬需要耗費(fèi)大量的計(jì)算資源和時間，當(dāng)前現(xiàn)有的服務(wù)器和分子動力學(xué)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(xué)模擬任務(wù)。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(xué)模擬軟件A

2、ssisted Model Building with Energy Refinement(AMBER)進(jìn)行并行算法設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)行細(xì)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(xué)模擬的核心。針對sander程序熱點(diǎn)部分，提出了去除循環(huán)依賴

3、、改進(jìn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等手段，基于OpenMP編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對分子動力學(xué)模擬程序 AMBER-sander細(xì)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(qiáng)的并行計(jì)算能力，將AMBER-sander的核心計(jì)算任務(wù)移植到MIC上，首次實(shí)現(xiàn)了基于MIC的分子動力學(xué)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(jì)算資源，我們設(shè)計(jì)和實(shí)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(xué)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(fù)載均橫等多種并行優(yōu)化方法，在單節(jié)點(diǎn)上，對分子動力學(xué)模擬軟件 AMBER-sander實(shí)現(xiàn)了5-6倍的加速，把單CPU單MIC協(xié)同并行加速擴(kuò)展到面向天河2號的單節(jié)點(diǎn)多CPU多MIC卡的協(xié)同并行。
　　最后，通

5、過對 AMBER-sander的可擴(kuò)展性進(jìn)行分析，在多節(jié)點(diǎn)層面對其進(jìn)行并行加速。對于分子動力學(xué)模擬算法本身而言，由于迭代次數(shù)多，每次迭代都需要進(jìn)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(diǎn)并行加速的一個主要問題和瓶頸。我們在保證計(jì)算結(jié)果的誤差在一定范圍內(nèi)，對算法進(jìn)行了跨節(jié)點(diǎn)并行優(yōu)化，由原來的每一次迭代都要進(jìn)行數(shù)據(jù)規(guī)約操作，變成每隔固定次迭代再進(jìn)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(diǎn)上高效地運(yùn)行，全面提高了程序的并行