基于CUDA的分子動(dòng)力學(xué)非鍵作用計(jì)算方法的研究.pdf

1、分子動(dòng)力學(xué)(Molecular Dynamics)是在原子級(jí)模擬固態(tài)、液態(tài)物質(zhì)的主要計(jì)算方法，用于研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)性質(zhì)及平衡輸運(yùn)性質(zhì)等，廣泛應(yīng)用于物理科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域。在計(jì)算過(guò)程中，粒子個(gè)數(shù)只有在無(wú)限多時(shí)，才能真實(shí)地再現(xiàn)物質(zhì)的宏觀行為，使得分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算相當(dāng)耗費(fèi)機(jī)時(shí)，一般以周為單位。在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，非鍵作用的計(jì)算是整個(gè)模擬過(guò)程中計(jì)算密集度最高，計(jì)算量需求最大的一塊。因而，對(duì)分子動(dòng)力學(xué)中非鍵作用的計(jì)算方法的研究對(duì)

2、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的模擬具有重要意義。2007年新推出的CUDA技術(shù)是一個(gè)全新的軟硬件架構(gòu)，有助于解決科學(xué)及工程方面的復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題。本文針對(duì)分子動(dòng)力學(xué)非鍵作用的計(jì)算及其加速方案，探討了在CUDA平臺(tái)下分子動(dòng)力學(xué)模擬的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，具體工作包括以下幾個(gè)方面：
　　 首先，分析了當(dāng)前分子動(dòng)力學(xué)模擬的主要特點(diǎn)與方法，探討了引入CUDA技術(shù)提高處理效率的可行性與優(yōu)越性。
　　 其次，分析并探討了當(dāng)前分子動(dòng)力學(xué)模擬的加速方案。探討了在不同

3、并行平臺(tái)下的加速方案，基于集群的和基于CUDA平臺(tái)的不同策略。研究了三種著名的并行算法，原子分解、作用力分解、空間分解及其結(jié)合。
　　 然后，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于CUDA的短程作用和靜電作用的非鍵作用計(jì)算方法。將非鍵作用的計(jì)算任務(wù)分配到GPU中進(jìn)行處理，充分利用GPU的并行計(jì)算優(yōu)勢(shì)，提高了計(jì)算的性能。
　　 最后，探討了CPU-GPU異構(gòu)多核平臺(tái)的特點(diǎn)與多GPU調(diào)度方法，將多GPU設(shè)備用于分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算中，進(jìn)一步優(yōu)化