[发明专利]一种针对分子动力仿真模型的并行化加速方法

摘要

本发明公布了一种针对分子动力仿真模型的并行化加速方法，属于并行计算技术领域，针对具有时间依赖性的分子动力系统数据计算任务，采用运行在众核架构、以GPU为协处理器的集群进行分子动力学模型的并行化计算加速，使得在集群计算性能相同时，能够自适应地找到一个最大的时间步长进行一次数据交换，从而实现模型运行速度的加速优化，使得在并行化计算过程中，并行化计算速度从每一个时间步执行一次数据交换提升到平均更多次执行一次数据交换。采用本发明技术方案，能够提高计算准确性，加快计算速度，减少数据传输的通信开销，提高众核GPU集群系统对于分子动力学仿真模拟的整体计算性能。

主权项

1.一种针对分子动力仿真模型的并行化加速方法，针对具有时间依赖性的分子动力系统数据计算任务，采用运行在众核架构、以GPU为协处理器的集群进行分子动力学模型的并行化计算加速，使得在集群计算性能相同时，能够自适应地找到一个最大的时间步长进行一次数据交换，从而实现模型运行速度的加速优化；包括如下步骤：A.对计算任务进行拆分，执行操作A1～A2：A1.记所有待计算的粒子数为N，存储每个粒子的状态信息数据为X，粒子标号从0到N‑1，x_i表示i号粒子的状态数据，集群中可用处理器核数为P，处理器标号从0到P‑1，P_i表示第i号处理器；A2.将X个粒子平均分为P份，处理器P_i计算第(X/P*i)号粒子到(X/P*(i+1)‑1)号粒子；当i＝P‑1时，处理器P_i计算第(X/P*i)号粒子到(X‑1)号粒子；在每个处理器中设置两块存储空间，一块用于存储待计算粒子的状态数据，记为M1；另一块用于存储全局X个粒子的数据，记为M2；用P_i(M1)表示第i号处理器上待计算粒子的状态数据，集合m_i表示在P_i(M1)中存在的粒子，P_i(M2)表示第i号处理器上全体粒子的数据；B.执行异步计算操作，包括B1～B3：B1.设状态转移函数为式1：x_i[t+dt]＝f(x₀[t],x₁[t],x₂[t]…x_N‑1[t])  (式1)其中，x_i[t]表示第i号粒子在t时间步的状态信息，dt为时间跨度，默认为1个单位的时间步；t初值为0；处理器P_i选择粒子集合m_i，从P_i(M2)中取出粒子状态数据，代入状态转移函数，计算粒子集合m_i在dt后的状态数据DATA；设定终止条件，当满足终止条件时计算完成，反之继续计算；B2.设置跨步计数器step，step＝0；设置一块与P_i(M2)相等大小的新空间，记为P_i(M2)^step，根据状态数据DATA更新Pi(M1)和P_i(M2)^step；更新step和t：step++，t＝t+dt；B3.设置step阈值为S，当step大于S时，执行步骤C进行数据同步；否则跳回B1；C.执行数据同步操作：C1.处理器P_i以广播形式向其他处理器传输数据P_i(M2)⁰，P_i(M2)¹，P_i(M2)²，…，P_i(M2)^S+1；并等待其他P‑1个处理器传来数据；C2.处理器Pi将本地S+2组数据和其他处理器传来的数据一一进行比较，当数据全部相同时，设置S＝S+1，释放P_i(M2)⁰，P_i(M2)¹，P_i(M2)²…P_i(M2)^S数据，更新P_i(M2)为P_i(M2)^S+1并跳回B，继续进行异步计算操作；反之，找到最早不同的数据，设为P_i(M2)^S’和P_j(M2)^S’，释放P_i(M2)^S’，P_i(M2)^S’+1，…，P_i(M2)^S+1数据，设置P_i(M2)为P_i(M2)^S’‑1，设置S＝S‑1，跳回B，继续进行异步计算操作；通过上述步骤，实现针对分子动力仿真模型的并行化加速。