本文選題：GPU加速 + 化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)　； 參考：《中國科學(xué)院研究生院（武漢物理與數(shù)學(xué)研究所）》2013年博士論文

【摘要】：本文針對量子動力學(xué)理論研究中并行算法問題,發(fā)展了Shepard插值方法的計算勢能的GPU算法；研究了范德華體系振轉(zhuǎn)光譜的束縛態(tài)理論計算的MPI/OpenMP并行算法；研究了X+NH3反應(yīng)的七維量子動力學(xué)理論方法和MPI/OpenMP并行算法,并應(yīng)用于研究Cl (2P)+NH3/ND3反應(yīng)。本論文的研究工作如下： 1.采用改進(jìn)的Shepard插值方法構(gòu)造的勢能面被廣泛用于化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)研究,這種構(gòu)造方法通過對從頭算數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插值來獲得任意構(gòu)型的能量,采用該方法構(gòu)造的勢能面精度高,能夠更精準(zhǔn)地研究化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)。但是在實(shí)際運(yùn)用中,插值勢能面計算量大,從而限制了該方法的應(yīng)用。本工作基于GPU的強(qiáng)大計算能力和高度并行性特點(diǎn),發(fā)展采用Shepard插值方法計算勢能的GPU新算法。并以H+H2O? H2+OH, H+NH3?H2NH2,H+CH4?H2+CH3這3個反應(yīng)的勢能面為例對算法進(jìn)行驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)GPU算法相對CPU算法具有明顯的優(yōu)越性,并且GPU加速比隨著體系增大而增大,隨著數(shù)據(jù)點(diǎn)增加而增加。 2.范德華體系振轉(zhuǎn)光譜的束縛態(tài)理論計算需求精確求解Schrodinger方程,由于體系的波函數(shù)展開為各個坐標(biāo)基函數(shù)的乘積,所以體系基函數(shù)的大小隨原子數(shù)增加呈指數(shù)增加,計算時間和內(nèi)存需求也隨之增加。需要應(yīng)用并行化計算方案使計算得以實(shí)現(xiàn)。我們針對線性分子-線性分子組成的范德華體系振轉(zhuǎn)光譜的理論研究,開發(fā)了束縛態(tài)計算的并行算法,采用節(jié)點(diǎn)間采用MPI和節(jié)點(diǎn)內(nèi)采用OpenMP的并行方案,并針對N2O-N2O體系驗(yàn)證了該并行算法,結(jié)果顯示計算效率明顯提高,加速比是1.67倍到8.6倍。 3. Cl+NH3在過渡態(tài)前后都有較深的勢阱,對量子動力學(xué)理論計算提出了挑戰(zhàn)。在動力學(xué)計算中,我們采用X+YCZ2類型的七維量子動力學(xué)模型,其中不參與反應(yīng)的NH2基團(tuán)在反應(yīng)過程中保持不變,采用該模型我們對Cl+NH3和Cl+ND3兩個反應(yīng)進(jìn)行了研究,計算結(jié)果顯示Cl+NH3和Cl+ND3有相似的動力學(xué)行為,而且反應(yīng)幾率都是非常小,與實(shí)驗(yàn)觀測一致。由于該反應(yīng)Cl+ND3比較復(fù)雜,Cl原子有較重的質(zhì)量,因此,基函數(shù)大小為3.175*109,勢能格點(diǎn)的數(shù)目為3.78*1010,傳播時間為是25000a.u,是當(dāng)前量子動力學(xué)研究中計算量最大的工作之一。
[Abstract]:In order to solve the problem of parallel algorithm in quantum dynamics theory, the GPU algorithm for calculating potential energy of Shepard interpolation method and the MPI/OpenMP parallel algorithm for the calculation of bound state theory of vibrational spectra of van der Waals system are developed in this paper. The seven dimensional quantum dynamics theory and MPI/OpenMP parallel algorithm for X NH3 reaction are studied, and applied to the study of Cl 2 P) NH3/ND3 reaction. The research work of this thesis is as follows: 1. The potential energy surface constructed by the improved Shepard interpolation method is widely used in the study of chemical reaction kinetics. The energy of arbitrary configuration is obtained by interpolating the ab initio data points. The potential energy surface constructed by this method has high accuracy. It is possible to study the kinetics of chemical reaction more accurately. However, the application of interpolation potential energy surface is limited because of the large amount of calculation in practice. Based on the strong computing power and high parallelism of GPU, a new GPU algorithm using Shepard interpolation method to calculate potential energy is developed. And H H 2O? The potential energy surface of the three reactions H 2O H, H NH 3H 2NH 2H CH4?H2 CH3 is used as an example to verify the algorithm. It is found that the GPU algorithm has obvious advantages over the CPU algorithm, and the GPU acceleration ratio increases with the increase of the system and increases with the increase of the data points. 2. The calculation of the bound state theory of van der Waals system requires the exact solution of the Schrodinger equation. Because the wave function of the system is the product of each coordinate basis function, the size of the basis function of the system increases exponentially with the increase of the number of atoms. Computing time and memory requirements also increase. Parallel computing scheme is needed to realize the computation. In this paper, we develop a parallel algorithm for the calculation of bound states in Van der Waals system with linear molecular and linear molecular composition. We adopt the parallel scheme of MPI between nodes and OpenMP within nodes. The parallel algorithm is verified for the N2O-N2O system. The results show that the computational efficiency is improved obviously, and the speedup ratio is 1.67 to 8.6 times. 3. Cl NH3 has a deep potential well before and after the transition state, which challenges the theoretical calculation of quantum dynamics. In the kinetic calculation, we adopt the seven dimensional quantum dynamics model of X YCZ2 type, in which the NH2 group that does not participate in the reaction remains constant during the reaction process. Using this model, we study the Cl NH3 and Cl ND3 reactions. The calculated results show that Cl NH3 and Cl ND3 have similar kinetic behaviors, and the probability of reaction is very small, which is consistent with the experimental observation. Because of the heavy mass of the complex Cl ND3 atom, the basis function is 3.175 ~ 109, the number of potential energy lattice is 3.78 ~ 1010, and the propagation time is 25000a.u. it is one of the most computational tasks in quantum dynamics research.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院（武漢物理與數(shù)學(xué)研究所）
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：O413.1;TP338.6

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本文編號：1921186