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%。
中图分类号：TP391 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.233897
中文引用格式： 高萍，段晓辉，刘卫国，等. 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[J]. 电子技术应用，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，段晓辉，刘卫国，等. 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[J]. 电子技术应用，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
分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟是一种计算机模拟技术，它基于经典的牛顿力学原理，计算系统中粒子的受力、速度和坐标，从而得到粒子在运动过程中的详细信息，进而获得系统演化的微观细节和系统宏观量。作为原子尺度的模拟技术，MD是一种探索微观世界的有力工具，广泛地应用于物理、化学、生物和材料科学等领域。
近年来，二维材料的研究呈现指数增长，成为材料科学领域中的研究热点。安德烈·海姆因分离出备受关注的石墨烯而获得2010年的诺贝尔物理奖。他在2019年的中国科幻大会论坛上曾说，二维材料将成为未来人类文明的代表性材料。石墨是三维的，而二维的石墨烯只有一层原子。当维度降低后，材料的特性和功能会发生变化，因此，揭示其物理和化学性质是二维材料的重要研究内容之一。
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作者信息：
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）
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