Применение технологий cuda и mpi к решению задач молекулярной динамики

Применение технологий CUDA и MPI к решению задач молекулярной динамики. А.В. Уткин, В.М. Фомин, М.С. Ожгибесов Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, 630090, Новосибирск Одним из наиболее сложных моментов при выполнении моделирования в рамках метода молекулярной динамики является значительное расчетное время задачи даже для сравнительно небольших систем атомов. На сегодняшний день существуют два основных способа решения данной проблемы. Первый способ состоит в использовании и создании высокоэффективных параллельных масштабируемых кодов с использованием программного интерфейса MPI (Message Passing Interface - интерфейс передачи сообщений) для высокопроизводительных параллельных кластеров с разделенной памятью. Вторым перспективным направлением является создание параллельных алгоритмов и кодов, которые позволят проводить вычисления с использованием графических процессоров общего назначения компании NVIDIA, поддерживающих технологию CUDA. Использование этих методик позволяет изучать системы, состоящие из миллионов атомов, т.е. имеющие качественно иной масштаб, по сравнению с системами, динамика которых рассчитывается на персональных компьютерах. Появление гетерогенных вычислительных кластеров обусловило необходимость создания новых алгоритмов и кодов, которые используют технологию CUDA для проведения трудоемких расчетов, а для связи между различными GPU, физически принадлежащих разным узлам кластера, используется технология MPI. Был создан гибридный алгоритм, который позволил объединить эти подходы в одной программе. Для анализа эффективности созданного алгоритма, в качестве физической системы, был выбран резервуар, наполненный газом (аргоном). Размеры резервуара составляли (503000 атомов). Взаимодействие атомов со стенкой резервуара описывалось функцией зеркального отражения, а взаимодействие атомов между собой описывалось при помощи двухчастичного потенциала Леннарда-Джонса. Начальные импульсы атомов системы задавались согласно распределению Максвелла при заданной температуре (450 К). Интегрирование уравнения движений поводилось с использованием схемы Верле второго порядка точности по временному шагу. Шаг по времени при численном моделировании составлял 5 10-16 с. Для данной физической системы, были программно реализованы три различных подхода к параллельному программированию. Первый подход состоял в использовании технологии MPI, второй подход был основан на использовании технологии CUDA для графических процессоров, а третий подход был основан на идеи объединения технологий MPI и CUDA (гибридная схема MPI+CUDA). Было показано, что скорость программы очень сильно зависит от выбранной методики внутренней оптимизации расчетов в методе молекулярной динамики (список Верле, метод связанных списков или различные гибридные комбинации метода связанных списков и списка Верле - гибридный список Верле)  А.В. Уткин, В.М. Фомин, М.С. Ожгибесов, 2013 Было показано, что программа основанная только на технологии CUDA и гибридных списках Верле использует меньше всего временных ресурсов (запуск проводился на 1 GPU). Использование только метода связанных списков приводит к существенному увеличению времени расчета, связанному с необходимостью обработки лишней информации из соседних ячеек (замедление почти в 5 раз). Код основанный на гибридной схеме MPI+CUDA считает быстрее чем MPI программа (запуск проводился на 9 узлах CPU и 9 GPU). Время расчета сил уменьшилось почти в 4 раза, но добавилось время обмена между CPU и GPU, которое практически идентично времени, затраченному на расчет сил на GPU. Программа, основанная только на технологии CUDA и гибридных списках Верле, считает быстрее, чем программа MPI+CUDA почти в 8 раз. Следует отметить, что алгоритм MPI+CUDA несет в себе все недостатки присущие алгоритму MPI, которые связаны в первую очередь с необходимостью обменов между узлами CPU, а также с их неравномерной загрузкой. Как уже упоминалось выше, из-за постоянно меняющегося числа атомов на каждом узле невозможно использовать списки Верле, что также усугубляет ситуацию. Однако не смотря на все эти недостатки, полученный код будет эффективен при моделировании физических систем состоящих из большого числа атомов. Это связано с тем, что рост числа атомов приведет к неизбежному росту требований к памяти для хранения информации. Возможна ситуация, когда программа основанная только на технологии CUDA и гибридных списках Верле затребует больше ресурсов, чем может обеспечить GPU. В случае же использования гибрида MPI+CUDA подобная ситуация маловероятна, поскольку размер запрашиваемых ресурсов будет обратно пропорционален числу используемых GPU и CPU.

Похожие:

	План урока по теме: «Практикум по решению задач на применение закона сохранения импульса» Тема урока: «Практикум по решению задач на применение закона сохранения импульса»		Урок по теме «Скалярное произведение и его свойства. Применение скалярного... Тема урока: «Скалярное произведение и его свойства. Применение скалярного произведения к решению задач»
	Практикум по решению профессиональных задач Печатается по решению кафедры теории и технологий гуманитарно-художественного образования Института филологии и искусств Казанского...		Характеристика молекулярной патологии в увеальных меланомах Работа выполнена в лаборатории молекулярной генетики человека нии молекулярной медицины Московской медицинской академии им. И. М....
	Применение инновационных технологий на уроках технологии (технический труд) Именно эта способность, позволяющая выживать и развиваться в условиях нарастающей динамики социальных изменений, стала своеобразным...		Применение информационных технологий в решении профессиональных задач (электив) По дисциплине Применение информационных технологий в решении профессиональных задач (электив)
	Конспект урока с использованием информационно- коммуникативных технологий... Цель: Обобщить знания о материальных основах наследственности и изменчивости, закрепить знания по решению разных типов генетических...		Применение дсм-метода к решению задач почерковедческой экспертизы В докладе излагаются идеи применения дсм-метода для решения идентификационных и диагностических задач почерковедческой экспертизы....
	Урок математики в 4 классе Цель. Автоматизировать вычислительные навыки учеников через выбор и своевременное применение нужного алгоритма на практике; организовать...		Урока математики в 5 классе мкоу «Берёзовская сш» «Сложение и вычитания смешанных чисел», и усовершенствовать навыки сложения продолжать осуществлять перенос теоретических знаний...
	Конкурс по решению задач за 2-3 недели. Попросить участниц ответить на вопросы анкеты Выбрать участниц конкурса (если желающих слишком много, провести отбор — конкурс по решению задач) за 2-3 недели		Практикум по решению задач на ЭВМ учебно-методический комплекс дисциплины Протокол согласования рабочей программы дисциплины «практикум по решению задач на эвм» с другими дисциплинами специальности 050202....
	Применение игровых технологий на урок Применение игровых технологий на уроках биологии как средство активизации познавательной деятельности учащихся		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Цель: усвоение учащимися формул для вычисления площадей параллелограмма, треугольника, трапеции и применение полученных знаний к...
	3. Методика обучения решению физических задач по электростатике 13... Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры теории и методики обучения физике (Тимоф)		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Цель урока: усвоение учащимися формул для вычисления площадей параллелограмма, треугольника, трапеции и применение полученных знаний...