本文關鍵詞：多貝西小波密度泛函的并行計算及效率分析

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【摘要】：多貝西小波密度泛函方法在材料、物理、化學以及納米科學等諸多領域有著廣泛的應用背景。以多貝西小波作為基函數(shù),通過自洽迭代求解Kohn-Sham密度泛函方程的方法是電子結構計算的先進方法。該方法利用了小波的局域性,使得各種邊界條件下的網(wǎng)格劃分呈現(xiàn)出高精度�；诙嘭愇餍〔ㄐ问降碾娮咏Y構計算程序Big DFT能夠同時滿足許多應用對精度和局域性的要求,并且還可以利用MPI、Open MP、CUDA和Open CL對模擬體系進行加速。隨著計算機技術的發(fā)展,超級計算機的計算力不斷增強,硬件架構也紛繁復雜。在這種情況下,如何結合物理背景計算問題并利用高性能計算平臺的軟硬件特點,使應用實現(xiàn)高效快速的、精準的完成電子結構高收斂性的數(shù)值模擬,是目前亟待解決的問題。本文主要針對Big DFT應用程序的并行計算方案進行研究,對影響并行效率的各因素進行了詳細的理論分析,并在我校高性能計算平臺上進行了不同規(guī)模的硅原子模型的數(shù)值模擬實驗,最后分析比較實驗結果,得出了最優(yōu)的并行方案。本文的主要研究工作有;(1)調(diào)研了大量電子結構計算理論和高性能并行計算技術,闡述了電子結構計算理論知識和高性能計算相關的理論和技術,并分別闡述了兩者的研究發(fā)展現(xiàn)狀。(2)為了給Big DFT應用程序的并行效率優(yōu)化提供一個合適的并行編譯環(huán)境,對多種編譯器及數(shù)學庫進行了編譯測試。并做了對比分析。(3)在進行數(shù)值模擬實驗之前,全面且系統(tǒng)地掌握了高性能計算集群平臺的部署、使用和維護的相關知識,其中包括對Linux系統(tǒng)的基本命令和常用工具的使用,以及集群調(diào)度軟件LSF、高性能并行文件系統(tǒng)等集群軟件的管理和維護。在此基礎上,通過進一步修改模型編譯安裝腳本使之適用于當前的計算平臺,并在其上完成了Big DFT程序的異構安裝。(4)在數(shù)值模擬計算過程中,在保證模型計算的準確性的前提下,設計并實現(xiàn)了不同模型的并行計算方案,在結合并行任務運行情況和應用本身特征得出了一個類Big DFT型,即計算密集型應用的最佳并行方案:在計算資源有限及超算平臺使用規(guī)則的條件下,每個節(jié)點的進程數(shù)接近節(jié)點核數(shù)的滿載狀態(tài)及進程數(shù)一致時并行效率為最佳狀態(tài)且計算資源利用率高。
【關鍵詞】：BigDFT 多貝西小波 并行效率
【學位授予單位】：湘潭大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O641.1
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 引言9-12
• 1.1 研究背景及意義9-11
• 1.1.1 高性能計算集群系統(tǒng)研究現(xiàn)狀10
• 1.1.2 電子結構計算中面臨的問題10-11
• 1.2 論文的結構11-12
• 第二章 多貝西小波密度泛函方法的程序應用：Big DFT12-20
• 2.1 多貝西小波及其應用13-14
• 2.2 BigDFT代碼概覽14
• 2.3 BigDFT的并行化14-17
• 2.4 多貝西小波基和卷積17
• 2.5 核心方法17-20
• 2.5.1 動能算符17-18
• 2.5.2 局部勢能應用18
• 2.5.3 BigDFT代碼的操作18-20
• 第三章 并行計算基礎20-27
• 3.1 并行計算基本概念20-21
• 3.2 并行編程語言：MPI、OpenMP、CUDA和OpenCL21-22
• 3.3 CPU與GPU22-24
• 3.4 并行算法（程序）性能的度量24-27
• 3.4.1 Amdahl法則與強擴展25
• 3.4.2 Gustafson定律與弱擴展25-27
• 第四章 HPC平臺簡介及BigDFT并行27-31
• 4.1 HPC平臺簡介27-29
• 4.1.1 硬件環(huán)境28-29
• 4.2 BigDFT的并行實現(xiàn)29-31
• 4.2.1 在刀片節(jié)點上的并行實現(xiàn)29
• 4.2.2 在CPU+GPU異構節(jié)點上的并行實現(xiàn)29-31
• 第五章 并行算例及效率分析31-46
• 5.1 二維邊界模型：硅薄膜算例31-44
• 5.1.1 固定使用120核運行情況32-34
• 5.1.2 強擴展分析34-44
• 5.2 三維邊界模型：金剛石算例44-46
• 第六章 總結與展望46-47
• 6.1 總結46
• 6.2 展望46-47
• 參考文獻47-50
• 致謝50

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本文編號：978241