分子动力学空间分解并行计算中的负载平衡方法研究

发布时间：2025-07-07 05:39

　　分子动力学数值模拟方法在物理、化学、生物、医药以及材料等许多研究领域得到了越来越广泛的应用。随着科学技术的不断发展，人们对分子动力学模拟计算的计算精度要求越来越高，计算量也越来越大，计算时间越来越长。近年来，各种高性能计算机尤其是集群的发展使并行计算在许多领域得到较好的应用。国内外学者纷纷采用并行计算方法进行分子动力学模拟计算。分子动力学的并行计算通常是将模拟空间分解为子空间然后分配到各处理器上。而在以空间分解法为基础的并行数值模拟过程中粒子的产生、运动、聚集往往会导致不可预测的、动态的负载不平衡，导致并行效率降低。为了最大限度的使高性能计算机发挥作用，缩短分子动力学模拟计算时间，从而降低研究成本，加速研制周期，必须解决分子动力学模拟并行算法设计中的负载不平衡问题。 研究了分子动力学数值模拟方法、BSP并行计算模型、循环映射法和递归对剖法静态负载均衡、动态负载平衡等关键技术。对串行程序进行了优化，并证实计算规模是影响分子动力学数值模拟的计算量的主要因素。分别用循环映射法和简化递归对剖法实现了分子动力学的并行计算。数值模拟实验表明两种方法都达到了静态负载平衡。但...

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【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图3.2作用力截断

(3)截断:由于原子间作用主要来自于近邻原子，分子动力学模拟通常采用球形截断方案，只考虑一个半径球内的原子对中心原子的作用，球外原子的作用力可以忽略不计。如图3.2:黝黝黝黝黝黝黝黝黝翼翼省省省蒸翁滁....

图3.5作用力分解算法中的作用力矩阵划分

j是奇数的时候凡二o。这样，作用在原子i上的作用力就是作用力矩阵的第i行元素之和。此时，作用力矩阵就是一个对称(根据牛顿第三定律)的稀疏(根据截断距离处理方法)矩阵。下面对这个作用力矩阵进行分解，如图3.5，假定处理器数量尸=16，每个处理器被指定一个矩阵子块，NxN的作用力矩阵....

图5.，基本的消息传递

基本的消息传递个复杂的系统，它包含了129个函数(根据1994年发布7年修订的标准，称之为MPI一2，已经超过200，目前只使用其中的6个最基本的函数就能编写一个完整的M个基本函数，包括启动和结束计算，识别进程以及发送和T:启动MPI计算ALIZE:结束MPI计算MMSIZE:确....

图5.9没有采用动态负载平衡时初始划分和若干时间步后的原子分布状况示意图，其中上面图形

采用动态负载平衡时初始划分和若干时间步后的原子分布状况示意图，其中划分时的截面，下面图形为若干步后原子在各个处理器上的分布情况(P=8个计算节点(CPU)并行计算为例。图5.10是在静态负载平衡平衡方法前运算过程中每个处理器上的原子数变化情况(每100时量)。从图中可以看出，虽然....

本文编号：4056590