基于国产申威众核架构的二维材料分子动力学模拟算法优化
电子技术应用
高萍1，2，段晓辉2，3，刘卫国2，3，郭佳旭2，4，柳嘉1，万吴兵1，2，甘霖1，2，杨广文1，2
1.清华大学 计算机科学与技术系，北京 100084；2.国家超级计算无锡中心，江苏 无锡 214072； 3.山东大学 软件学院，山东 济南 250101；4.吉林大学 计算机科学与技术学院，吉林 长春 130012
摘要： 分子动力学（Molecular Dynamics，MD）模拟是探索微观世界的重要工具，在多个领域中得到广泛应用。二维材料是MD在材料科学领域的一个重要研究方向，其中层间作用力的计算是耗时最多的部分。高性能计算是能够提升二维材料模拟效率的关键技术，利用新一代神威超级计算机的强大计算能力，来提高二维材料体系的MD模拟效率。针对层间力场的计算，采用消除冗余计算、多核心融合和设置缓冲区等多种算法优化策略；采用软件Cache累加受力、从核通信累加能量和从核C++特性等技术实现线程级并行；采用软硬件Cache协同策略提升访存效率。实验结果表明：优化后的整体性能提升155倍，模拟效率可达2 ns/day，弱扩展并行效率达到92.7%。
中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.233897
中文引用格式： 高萍，段曉輝，劉衛(wèi)國，等. 基于國產(chǎn)申威眾核架構的二維材料分子動力學模擬算法優(yōu)化[J]. 電子技術應用，2023，49(12)：1-7.
英文引用格式： Gao Ping，Duan Xiaohui，Liu Weiguo，et al. Optimization of molecular dynamics simulation algorithm for two-dimensional material on Sunway[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(12)：1-7.
中文引用格式： 高萍，段曉輝，劉衛(wèi)國，等. 基于國產(chǎn)申威眾核架構的二維材料分子動力學模擬算法優(yōu)化[J]. 電子技術應用，2023，49(12)：1-7.
英文引用格式： Gao Ping，Duan Xiaohui，Liu Weiguo，et al. Optimization of molecular dynamics simulation algorithm for two-dimensional material on Sunway[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(12)：1-7.
Optimization of molecular dynamics simulation algorithm for two-dimensional material on Sunway
Gao Ping1，2，Duan Xiaohui2，3，Liu Weiguo2，3，Guo Jiaxu2，Liu Jia1，Wan Wubing1，2， Gan Lin1，2，Yang Guangwen1，2
1.Department of Computer Science and Technology， Tsinghua University， Beijing 100084， China； 2.National Supercomputing Center in Wuxi， Wuxi 214072， China；3. School of Software， Shandong University， Jinan 250101， China；4.College of Computer Science and Technology， Jilin University， Changchun 130012， China
Abstract： Molecular dynamics (MD) simulation is an important tool to explore the microcosmic world, which is widely used in many fields. Two-dimensional materials is an important research direction of MD in the field of materials science, in which the calculation of interlayer interactions is the most time-consuming part. High performance computing is a key technology to improve the simulation efficiency of two-dimensional materials. In this work, the powerful computing power of a new generation of Sunway supercomputer is utilized to improve the MD simulation efficiency of two-dimensional materials. For the interlayer force field, multiple algorithm optimization strategies such as eliminating redundant calculation, multi-core fusion and setting buffer are adopted. It implements thread-level parallelism by software Cache accumulation force, communication between computation processing elements accumulation energy and C++ feature. The hardware and software Cache coordination policy is adopted to improve storage access efficiency. The experimental results show that the overall performance is improved by 155 times, the simulation efficiency is about 2 ns/day, and the weak extension parallel efficiency reaches 92.7%.
Key words : molecular dynamics；high performance computing；LAMMPS；two-dimensional materials；Sunway
0 引言
分子動力學（Molecular Dynamics, MD）模擬是一種計算機模擬技術，它基于經(jīng)典的牛頓力學原理，計算系統(tǒng)中粒子的受力、速度和坐標，從而得到粒子在運動過程中的詳細信息，進而獲得系統(tǒng)演化的微觀細節(jié)和系統(tǒng)宏觀量。作為原子尺度的模擬技術，MD是一種探索微觀世界的有力工具，廣泛地應用于物理、化學、生物和材料科學等領域。
近年來，二維材料的研究呈現(xiàn)指數(shù)增長，成為材料科學領域中的研究熱點。安德烈·海姆因分離出備受關注的石墨烯而獲得2010年的諾貝爾物理獎。他在2019年的中國科幻大會論壇上曾說，二維材料將成為未來人類文明的代表性材料。石墨是三維的，而二維的石墨烯只有一層原子。當維度降低后，材料的特性和功能會發(fā)生變化，因此，揭示其物理和化學性質(zhì)是二維材料的重要研究內(nèi)容之一。
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作者信息：
高萍1，2，段曉輝2，3，劉衛(wèi)國2，3，郭佳旭2，4，柳嘉1，萬吳兵1，2，甘霖1，2，楊廣文1，2
（1.清華大學 計算機科學與技術系，北京 100084；2.國家超級計算無錫中心，江蘇 無錫 214072；
3.山東大學 軟件學院，山東 濟南 250101；4.吉林大學 計算機科學與技術學院，吉林 長春 130012）
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