并行算法在激光化學(xué)反應(yīng)模擬中的應(yīng)用研究.pdf

1、隨著超短激光脈沖技術(shù)的不斷發(fā)展，激光化學(xué)反應(yīng)的研究已經(jīng)深入到核運(yùn)動(dòng)的微觀世界。許多化學(xué)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)采用常規(guī)方法無法實(shí)現(xiàn)，但在超快激光脈沖的照射下能夠?qū)崿F(xiàn)。激光化學(xué)反應(yīng)模擬是利用計(jì)算機(jī)手段模擬分子在不同激光照射下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象，計(jì)算機(jī)模擬能夠得到激光化學(xué)反應(yīng)全過程，研究瞬間反應(yīng)的具體細(xì)節(jié)，為實(shí)際化學(xué)反應(yīng)提供理論指導(dǎo)。目前應(yīng)用最為廣泛的激光化學(xué)反應(yīng)模擬方法是半經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)方法，由于當(dāng)模擬規(guī)模增加時(shí)，其計(jì)算量迅速增大，因此，研究高效率并行算

2、法并應(yīng)用于半經(jīng)典動(dòng)力學(xué)模擬具有重要意義。
　　本文全面系統(tǒng)地研究激光化學(xué)反應(yīng)模擬并行算法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一系列并行算法。
　　本文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　1．本文基于半經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模型實(shí)現(xiàn)激光化學(xué)反應(yīng)模擬。該模型由Fortran語言實(shí)現(xiàn)，并在大型計(jì)算機(jī)上構(gòu)建模擬平臺(tái)。該平臺(tái)基于半經(jīng)典的計(jì)算機(jī)模擬激光化學(xué)反應(yīng)模型，能夠真實(shí)反映化學(xué)反應(yīng)的實(shí)際過程。通過實(shí)際的激光化學(xué)反應(yīng)的模擬測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該平臺(tái)能夠有效研究激

3、光脈沖性質(zhì)對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響，為研究激光化學(xué)反應(yīng)提供了科學(xué)可靠方法。
　　2．本文提出了半經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)特殊矩陣計(jì)算的優(yōu)化方法和并行計(jì)算方法。通過對(duì)半經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算的串行算法進(jìn)行了測(cè)試分析，尋求耗時(shí)最大的程序模塊，即大型特殊矩陣乘法計(jì)算?；谟?jì)算矩陣特征對(duì)特殊矩陣乘法進(jìn)行優(yōu)化，大幅降低該模塊計(jì)算時(shí)間。采用Wingrad算法降低矩陣計(jì)算時(shí)間復(fù)雜度，并基于OpenMP實(shí)現(xiàn)矩陣乘的Winograd并行算法，有效提高計(jì)算效率。

4、>　　3．本文提出了一種半經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)混合并行算法。在半經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬中引入混合并行技術(shù)和雙層并行算法設(shè)計(jì)?；?MPI+OpenMP混合模型和激光化學(xué)反應(yīng)計(jì)算特征，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)激光化學(xué)反應(yīng)模擬雙層并行算法，上層并行采用動(dòng)態(tài)原子分割算法，下層并行采用力矩陣并行分解算法。該算法在多核集群中能夠有效提高半經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)并行計(jì)算效率。
　　4．基于反饋機(jī)制設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡算法，該算法通過負(fù)載信息反饋動(dòng)態(tài)調(diào)整任務(wù)分配，并將該算法應(yīng)用與

5、半經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬中，在變化負(fù)載系統(tǒng)中，該算法具有較好的適應(yīng)性。為了進(jìn)一步適應(yīng)復(fù)雜的頻繁變化的負(fù)載系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了可變周期反饋的負(fù)載均衡算法，根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)載調(diào)整反饋周期，從而增強(qiáng)算法的可適應(yīng)性，負(fù)載變化較多時(shí)能縮短反饋周期，負(fù)載穩(wěn)定時(shí)能延長(zhǎng)周期，從而提高系統(tǒng)并行效率。針對(duì)半經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算特征，設(shè)計(jì)了周期時(shí)間預(yù)測(cè)算法和優(yōu)化原子分配方案，在多核集群中測(cè)試，采用隨機(jī)運(yùn)行的干擾程序動(dòng)態(tài)改變系統(tǒng)負(fù)載，在負(fù)載動(dòng)態(tài)變化環(huán)境中，該負(fù)載均衡算法具有優(yōu)