Оптимизация производительности многопроцессорных вычислительных систем при решении задач методом молекулярной динамики

• Автор: Андреев, Вячеслав Вениаминович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Ижевск
• Количество страниц: 143 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ОБОЗНАЧЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МЕТОД МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ

1.1. Молекулярная динамика

1.2. Алгоритмы метода молекулярной динамики

1.3. Потенциалы взаимодействия

1.4. Параллельные алгоритмы ММД

1.5. Метод декомпозиции атомов

1.6. Метод декомпозиции пространства

1.7. Метод декомпозиции силы

1.8. Современные программы ММД
1.9. Выводы по главе 1
ГЛАВА 2. ПАРАЛЕЛЬНЫЙ АЛГОРИТМ ДЕКОМПОЗИЦИИ ВРЕМЕНИ ДЛЯ МЕТОДА МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ
2.1. Метод декомпозиции времени
2.2. Организация вычислений в методе декомпозиции времени при разбиении пространства модели на расчетные зоны одинакового размера по одной координатной оси
2.3. Организация вычислений в методе декомпозиции
времени при разбиении модели на расчетные зоны различного размера по одной координатной оси
2.4. Организация вычислений в методе декомпозиции времени при разбиении модели на расчетные зоны
по двум координатным осям
2.5. Организация вычислений в методе декомпозиции времени при разбиении модели на расчетные зоны
по трем координатным осям
2.6. Эффективность и быстродействие алгоритмов ММД использующих метод декомпозиции времени
2.7. Выводы по главе 2
ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ДЕКОМПОЗИЦИИ ВРЕМЕНИ ДЛЯ АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММ ММД
3.1. Особенности построения модели для метода декомпозиции времени
3.2. Использование много частичных потенциалов взаимодействия
3.3. Расчет временного шага
3.4. Влияние быстродействия каналов межпроцессорной связи на производительность МВС при использовании метода декомпозиции времени в ММД
3.5. Тестирование параллельного алгоритма ММД использующего метод декомпозиции времени
3.6. Тестирование надежности параллельной программы ММД использующей метод декомпозиции времени
3.7. Выводы по главе 3
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Целью работы является разработка метода параллельной обработки информации, позволяющего проектирование параллельных алгоритмов для решения задач методом молекулярной динамики, обеспечивающих эффективное использование ресурсов МВС и линейное увеличение производительности МВС при использовании двух частичных и много частичных потенциалов межатомного взаимодействия. Объектом исследования являются метод молекулярной динамики, методы параллельной обработки, используемые в методе молекулярной динамики, параллельные алгоритмы для решения задач методом молекулярной динамики, методы организации межпроцессорного обмена в МБС при решении задач методом молекулярной динамики. Предметом исследования являются методы параллельной обработки и параллельные алгоритмы для решения задач ММД, способы организации межпроцессорного обмена в МВС при решении задач ММД, реализующие эти методы и алгоритмы, программы, способы графических отображений результатов расчета, а также оценки их эффективности и возможностей практической реализации при решении различных задач связанных с расчетами методом молекулярной динамики. Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования основаны на использовании дифференциального исчисления, математической логики, теории формальных языков, вычислительной математике и теоретической физике. В экспериментальных исследованиях разработанных методов и алгоритмов использовались вычислительные методы и компьютерные средства обработки, такие как методы моделирования множества взаимодействующих частиц, цифровой обработки изображений и машинной графики, прикладного и системного программирования. ММД, научными трудами и апробациями созданного научно-технического продукта на представительных научных форумах. Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждается при их сравнительном анализе с известными результатами современных исследований и разработок. Теоретические положения, установленные в работе, обосновываются адекватным выбором исходных посылок и последовательным применением математического аппарата при получении из них выводов, а также верификацией этих выводов данными систематического исследования полученных аналитических результатов. Достоверность экспериментальных результатов подтверждается их согласованностью с теоретическими выводами, обоснованным выбором корректных критериев при построении алгоритмов обработки информации, воспроизводимостью результатов на больших объемах экспериментального материала при выполнении серий вычислительных экспериментов с большим количеством изменяемых значений влияющих параметров, наглядностью интерпретации полученных практических результатов расчета. ММД. Практическая ценность работы заключается в применении новых эффективных методов параллельной обработки и параллельных алгоритмов для решения задач методом молекулярной динамики. Разработан метод параллельной обработки, позволяющий разрабатывать параллельные алгоритмы, которые могут рассчитывать одновременно множество временных шагов интегрирования при решении задач методом молекулярной динамики. Разработанные методы параллельной обработки и параллельные алгоритмы для метода молекулярной динамики обеспечивают эффективное использование ресурсов многопроцессорных вычислительных систем и позволяют получить линейное нарастание производительности МВС при увеличении количества процессоров участвующих в расчете задачи. Разработана и протестирована программа для решения задач методом молекулярной динамики использующая метод декомпозиции времени для организации параллельных вычислений, обеспечивающая эффективное использование МВС (более %) и имеющая линейный рост производительности при увеличении количества процессоров участвующих в решении задачи. Реализация работы состоит в выполнении Международного контракта между Академией Наук СССР (ФТИ УрО г. Ижевск) и Академией наук Венгерской республики (Институт САМАЛК г. Будапешт). Институт САМАЛК г. Институт прикладной логики г.