ABEEMσπ/MM模型中能量求解的并行化

论文摘要

本论文的工作主要分为两大部分：一、通过对ABEEMσπ力场模型中计算静电相互作用项串行程序中多个循环相互嵌套部分的分析,提出带状循环划分、迭代求解的并行化处理方案；二、将以上方法应用到ABEEMσπ力场模型中求解其他所有能量项的串行程序中,实现了ABEEMσπ力场模型中所有求解能量项的并行化。随着计算机、计算方法和工程应用的高速发展,求解问题的复杂度和规模也不断增加,几乎所有的科学都走向定量化和精确化。同时原有的串行算法也不能满足当前的计算要求,使得串行计算机难以胜任。以Cluster为代表的MPI(消息传递接口)并行计算机系统逐渐成为求解大型数值问题的主要平台。从而产生了诸如计算物理、计算力学、计算化学和计算材料学等一批新兴的计算科学分支。计算科学已经和传统的科学方法即理论和试验相并列,成为了第三种科学方法,并广泛应用于气象预测、石油勘探、交通运输、航空航天等重要的工程领域。ABEEMσπ模型中计算体系的静电相互作用能,即求体系中所有原子、σ键、孤对电子、万键位点之间的静电相互作用能之和。原程序求静电相互作用能采用串行的多个相互嵌套的循环依次计算来实现,这种方法求解大分子体系的静电相互作用能时需要很长时间,使研究问题的效率有所降低。本文采用带状循环划分、迭代分配求解的并行化处理方案,将串行的静电相互作用能程序转换为可在MPI并行环境下多机系统上运行的并行程序。新程序很大程度上节省了机时,并得到与串行一致的结果。随后,本文又将此方法应用于ABEEMσπ力场模型中求解其他能量项的程序中。并且采用十个不同的体系对其进行动力学模拟测试。经测试表明,利用新编制的并行程序进行动力学模拟,并行加速比以线性趋势提高、求解能量速度大幅度加快、尤其是针对原子数较多的分子体系效果比较理想。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1. 理论背景
• 1.1 分子力学
• 1.1.1 分子力学概述
• 1.1.2 分子力场作用项的一般形式
• 1.2 密度泛函理论（Density Functional Theory,DFT）
• 1.3 电负性及电负性均衡原理
• 1.4 分子动力学模拟概述
• 1.5 并行计算
• 1.5.1 操作系统与并行编程环境
• 1.5.2 并行算法
• 1.5.3 并行算法的性能
• 2. 原子-键电负性均衡方法
• 3. ABEEMσπ型静电相互作用能程序的并行化设计
• 3.1 串行程序分析
• 3.2 并行程序设计
• 3.3 并行策略
• 3.4 测试体系的选取
• 4 结果与讨论
• 4.1 静电相互作用能并行程序的并行时间、并行加速比与并行效率分析
• 4.2 所有能量项并行程序的并行时间、并行加速比与并行效率分析
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢