Ускорение молекулярно-динамических расчетов с помощью быстрого метода мультиполей и графических процессоров
Ключевые слова:
молекулярная динамика, электростатическое взаимодействие, быстрый метод мультиполей, FMM, гетерогенные вычисления, GPUАннотация
Работа посвящена ускорению моделирования методами молекулярной динамики электростатических потенциалов на примере молекул воды. Высокопроизводительные вычисления достигаются путем комбинированного подхода с применением быстрого метода мультиполей (FMM) для вычисления сил и применением гетерогенных архитектур, состоящих из центральных и графических процессорных устройств (CPU и GPU соответственно). Метод FMM позволяет ускорить вычисления дальнодействующих взаимодействий за счет уменьшения вычислительной сложности до линейной. Использование GPU позволяет достичь значительных ускорений в вычислениях. Реализация метода FMM на GPU предоставляет возможность проводить численные эксперименты над большими системами. Показано, что предложенная методика имеет хорошую масштабируемость и может быть использована для моделирования динамики воды в области с размерами 60 нм или числом молекул воды порядка 10 миллионов на персональных рабочих станциях, оборудованных одним GPU.
Библиографические ссылки
- Haile J.M. Molecular dynamics simulation: elementary methods. New York: Wiley publication, 1992.
- Allen M.P. Introduction to molecular dynamics simulation // Computational Soft Matter: From Synthetic Polymers to Proteins. Lecture Notes. Vol. 23. Jülich: Neumann Inst. for Computing, 2004. 1-28.
- Maruyama S., Kimura T. A molecular dynamics simulation of a bubble nucleation on solid surface // Int. J. of Heat &; Technology. 2000. 18. 69-74.
- Maruyama S. Molecular dynamics method for microscale heat transfer // Adv. Numer. Heat Transfer. 2000. 2. 189-226.
- Anderson J.A., Lorenz C.D., Travesset A. General purpose molecular dynamics simulations fully implemented on graphics processing units // J. of Computational Physics. 2008. 227, N 10. 5342-5359.
- Sunarso A., Tsuji T., Chono S. GPU-accelerated molecular dynamics simulation for study of liquid crystalline flows // J. of Computational Physics. 2010. 229, N 15. 5486-5497.
- Nyland L., Harris M., Prins J. Fast N-body simulation with CUDA //
- Darden T., York D., Pedersen L. Particle mesh Ewald: an extitNlog extitN method for Ewald sums in large systems // J. of Computational Physics. 1993. 98, N 12. 10089-10092.
- Lindbo D., Tornberg A.-K. Fast and spectrally accurate Ewald summation for 2-periodic electrostatic systems // J. Chem. Phys. 2012. 136. 164111.
- Luty B.A., van Gunsteren W.F. Calculating electrostatic interactions using the Particle-Particle Particle-Mesh method with nonperiodic long-range interactions // J. Phys. Chem. 1996. 100, N 7. 2581-2587.
- Bossis G. Molecular dynamics calculation of the dielectric constant without periodic boundary conditions // Molecular Physics: An International Journal at the Interface Between Chemistry and Physics. 1979. 38. 2023-2035.
- Barnes J., Hut P. A hierarchical extitO(Nlog extitN) force-calculation algorithm // Nature. 1986. 324. 446-449.
- Greengard L., Rokhlin V. A fast algorithm for particle simulations // J. of Computational Physics. 1987. 73, N 2. 325-348.
- Gumerov N.A., Duraiswami R. Fast multipole methods on graphics processors // J. of Computational Physics. 2008. 227. 8290-8313.
- Hu Q., Gumerov N.A., Duraiswami R. Scalable fast multipole methods on distributed heterogeneous architectures // Proc. of 2011 Int. Conf. for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis. New York: ACM Press, 2011. Article N 36.
- Rapaport D.C. The art of molecular dynamics simulation. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2004.
- Frenkel D., Smit B. Understanding molecular simulation. New York: Academic, 2002.
- Barker J., Watts R. Structure of water: a Monte Carlo calculation // Chemical Physics Letters. 1969. N 3. 144-145.
- Rahman A., Stillinger F.H. Molecular Dynamics Study of Liquid Water // J. of Chemical Physics. 1971. 55. 3336-3360.
- Jorgensen W.L., Chandrasekhar J., Madura J.D., Impey R.W., Klein M.L. Comparison of simple potential functions for simulating liquid water // J. of Chemical Physics. 1983. 79. 926-935.
- Martin J.F. A practical introduction to the simulation of molecular systems. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2007.
- Зацепина Г. Свойства и структура воды. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1974.
- Soper A., Phillips M.G. A new determination of the structure of water at 25^circС // J. of Chemical Physics. 1986. 107. 47-60.
- Dongarra J., Sullivan F. Guest editor’s introduction: the top 10 algorithms // Computing in Science and Engineering. 2000. 2, N 1. 22-23.
- Gumerov N.A., Duraiswami R., Borovikov E.A. Data structures, optimal choice of parameters, and complexity results for generalized multilevel fast multipole methods in d dimensions // Technical Report CS-TR-4458. College Park: Univ. of Maryland, 2003.
- Harris M., Sengupta S., Owens J.D. Parallel prefix sum (scan) with CUDA // GPU Gems 3. Boston: Addison Wesley, 2007. 851-876.
- Morton G.M., Phillips M.G. A computer oriented geodetic database and a new technique in file sequencing // IBM Technical Report. Ottawa, 1966.
- Hu Q., Gumerov N.A., Duraiswami R. Scalable distributed fast multipole methods // Proc. of 14th IEEE International Conference on High Performance and Communications (HPCC-2012). New York: IEEE Press, 2012. 270-279.
- Yokota R., Barba L. Treecode and fast multipole method for N-body simulation with CUDA // GPU Computing Gems. Emerald Edition. Boston: Elsevier and Morgan Kaufmann, 2011. 113-132.
- NVIDIA CUDA Compute Unified Device Architecture Programming Guide. Version 5.0. 2012.
- http://lammps.sandia.gov