基于OpenMP的分子動力學(xué)模擬并行優(yōu)化研究.pdf

1、分子動力學(xué)模擬是一種依靠牛頓力學(xué)原理來模擬分子體系運(yùn)動的方法。它能跟蹤每個粒子的個體運(yùn)動，準(zhǔn)確記錄每個時刻各個粒子的位置和動量，即相空間的運(yùn)動軌跡；再通過統(tǒng)計力學(xué)計算方法得到多體系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，從而得到系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)。分子動力學(xué)模擬被廣泛地應(yīng)用于計算化學(xué)、氣候模擬、材料學(xué)、生物化學(xué)等研究領(lǐng)域。
　　 為了使模擬計算的結(jié)果更加準(zhǔn)確地反應(yīng)宏觀行為，在分子動力學(xué)計算過程中，往往需要盡可能多地增加模擬體系的粒子個數(shù)、延長模擬的時間

2、，這就使分子動力學(xué)計算相當(dāng)耗費(fèi)計算時間。為了更準(zhǔn)確、更快速地得到模擬結(jié)果，在并行計算機(jī)平臺上，對分子動力學(xué)模擬算法進(jìn)行并行優(yōu)化，就成為越來越多科研人員的首要選擇。
　　 本文根據(jù)并行計算技術(shù)的設(shè)計方法，對基于OpenMP的分子動力學(xué)模擬并行算法進(jìn)行優(yōu)化。論文的核心工作包括以下內(nèi)容：
　　 首先，考慮軟硬件平臺和算法的結(jié)合，在生物學(xué)院的一臺SMP處理機(jī)上，使用OpenMP對分子動力學(xué)模擬并行算法進(jìn)行實現(xiàn)。然后簡要介紹了分子

3、動力學(xué)模擬串行算法的基本原理與步驟。通過耦合的TTM-MD模擬計算方法研究了飛秒激光輻照下厚度為49.3 nm鋁膜的溫度、壓力變化情況和熔化機(jī)制?？梢钥闯鲈撓到y(tǒng)能通過計算機(jī)真實的模擬出實驗結(jié)果，對實際操作起到很好的指導(dǎo)作用。
　　 其次，分析傳統(tǒng)的基于OpenMP的分子動力學(xué)模擬并行算法，針對已有的Critical并行算法的缺點(diǎn)一在Critical Section中同一時間內(nèi)只能有一個線程執(zhí)行它，其他的線程要排隊等待進(jìn)入臨界區(qū)。

4、本文提出三角形方法來減少線程等待時間。該方法首先使用根據(jù)算法特點(diǎn)得到的公式求出每個線程應(yīng)計算的粒子數(shù)，然后為每個線程求得初始粒子和終止粒子，最后在并行區(qū)，根據(jù)線程號，為每個線程分配粒子，使得各個線程計算的粒子數(shù)不同。線程在計算完粒子間的相互作用力后，就進(jìn)入臨界區(qū)更新粒子的力矩陣。因為每個線程所計算作用力的粒子數(shù)不同，線程可以在不同的時刻到達(dá)臨界區(qū)，從而使得某一個線程在臨界區(qū)更新力矩陣的同時，其他的線程并沒有排隊等待進(jìn)入臨界區(qū)，而是在執(zhí)行