【摘 要】
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分子动力学（MD）模拟是用计算机依靠牛顿力学模拟分子或原子运动的方法,以微观粒子的运动反映整个系统的结构和性质,这对于获得理想实验条件下的实验结果有着重要的意义,它广泛的应用在多个领域,例如材料科学、化学和生物学。在众多分子动力学模拟软件中,LAMMPS是最常用的模拟软件之一,它以丰富的力场、易扩展的开源代码等优势成为材料领域进行分子动力学模拟的最佳选择。然而由于LAMMPS计算量大、计算密集的特
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分子动力学（MD）模拟是用计算机依靠牛顿力学模拟分子或原子运动的方法,以微观粒子的运动反映整个系统的结构和性质,这对于获得理想实验条件下的实验结果有着重要的意义,它广泛的应用在多个领域,例如材料科学、化学和生物学。在众多分子动力学模拟软件中,LAMMPS是最常用的模拟软件之一,它以丰富的力场、易扩展的开源代码等优势成为材料领域进行分子动力学模拟的最佳选择。然而由于LAMMPS计算量大、计算密集的特点,它的优化一直是个热点问题。随着多核平台的发展,分子动力学软件耗时的缺陷正逐步得到解决。作为多核平台的“神威·太湖之光”是世界上最快的超级计算机之一,它强大的算力正适合用来运行计算量大、计算密集的LAMMPS。自神威的发布以来,越来越多的科研工作者在神威上致力于对LAMMPS的优化并取得了优异的成果。面对运行耗时的LAMMPS和算力强大的神威平台,找到神威上优化LAMMPS的最优方法以获得其在神威上的最佳性能是非常有必要的,这也是本文的目标。本文旨在于“神威·太湖之光”平台研究优化LAMMPS对势的方法,主要贡献如下:第一,提出了新的优化方法并在神威上使用了两种优化方法对三种对势进行了优化。本文采取使用全邻接表的单端更新方法和使用半邻接表的双端更新方法来优化L-J/Smooth/Linear力场和Beck力场,这是首次在神威平台上优化上述力场。此外,在L-J/Cut力场上复现了单端更新方法并用双端更新方法优化。在这两种优化方法中,单端更新方式是在L-J/Cut力场上已有的优化方式,双端更新方式是本文新提出的方法。第二,对优化后的三种力场进行测试并对两种优化方法进行研究分析以得到对势的最佳通用优化方法。基于优化工作,本文以L-J/Cut力场、L-J/Smooth/Linear力场和Beck力场为例测试得出两种方法的优化性能,三种力场的最高加速比分别可达到16.9x、20.8x和29.7x。由于在前两种力场中单端更新方法占绝对优势但在Beck力场中双端更新方法开始显露出优势,本文分析并得出影响双端更新方法在前两力场性能表现的主要因素是此方法中存在频繁的写内存操作。接着,为了探究两种方法各自的优势,本文分析并测试得出结论:不同力场的计算量大小及cutoff、skin是影响两种方法性能的因素,计算量越大双端更新方法更具有优势,cutoff与skin的比例越大单端更新方式更为适合,以此得出在神威平台上对LAMMPS对势优化的最佳方法。第三,设计并实现自适应系统。基于上述对势加速方法的分析,为了发挥两种方法在不同情况下各自的优势,本文设计并实现自适应系统,根据输入力场及条件自动的选择优化方法,从而获得LAMMPS对势在神威平台上的最优性能。
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