Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,916

МЕТОД РАВНОМЕРНОЙ ЗАГРУЗКИ ВЫЧИСЛИТЕЛЕЙ ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕННОГО МД-МОДЕЛИРОВАНИЯ КОРРЕЛИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ N-ЧАСТИЦ

Трунов А.С. 1 Дворянчикова А.А. 1
1 Российский государственный гуманитарный университет
1. SAGE MD2 [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.sagemd.com/htmls/about_sagemd.htm.
2. HyperChem. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.hyper.com.
3. XMD (Molecular Dynamics for Metals and Ceramics). [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://xmd.sourceforge.net.
4. Brown W.M., Kohlmeyer A., Plimpton S.J., Tharrington A.N. Implementing molecular dynamics on hybrid high performance computers – Particle-particle particle-mesh // Computer Physics Communications Volume 183, Issue 3, March 2012, P. 449-459
5. Le Grand S., Götz A.W., Walker R.C. SPFP: Speed without compromise – A mixed precision model for GPU accelerated molecular dynamics simulations // Computer Physics Communications Volume 184, Issue 2, February 2013, P. 374-380
6. Voronova L.I., Grigorieva M.A., Voronov V.I. «Nanostruсture computer modeling methods development for multicomponent slag melts», Fundamental researches, 8 (part 3), Р. 617-622, 2011, www.rae.ru
7. Воронова Л.И., Григорьева М.А., Воронов В.И., Трунов А.С. Программный комплекс «MD-SLAG-MELT»для моделирования наноструктуры и свойств многокомпонентных расплавов // Расплавы. – 2013. – № 2.
8. Voronova L.I, Voronov V.I. The Research-Information System «MD-SLAG-MELT». Certificate of state registration of computer programs № 2012615018 from 05.06.2012. Program complex Nano-MD-Simulation. http:// www.nano-md-simulations.com.
9. Трунов А.С., Воронова Л.И. Подсистема распределенного молекулярно-динамического моделирования информационно-исследовательской системы «MD-SLAG-MELT» Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, № 2012615017 от 05.06.2012.

Активно развивающиеся в последние годы модели и методы высокопроизводительных вычислений имеют широкую область применения, в том числе и для поддержки научного компьютерного эксперимента.

В рамках компьютерного моделирования можно выделить важный класс задач, в которых возможно распределять вычисления для совокупности объектов, находящихся в определенных отношениях друг с другом. К этому классу относятся и задачи моделирования коррелированных систем N-частиц.

В настоящее время разработан ряд программных комплексов реализующих методы распределенного расчета задач класса N-частиц [1-3]. Эти методы основаны на расчете двухобъектных отношений [4, 5]. Предметом этой статьи являются методы, основанные на двух объектных отношениях с учетом трехобъектных и многообъектных отношений [6, 7].

Для возможности параллельного расчета коррелированной системы N-частиц, авторами разработан метод равномерной загрузки вычислителей в однородной вычислительной среде, в которой каждый вычислитель обладает одинаковой производительностью и имеет свою независимую память.

Равномерная загрузка подразумевает разделение множества на подмножества с мощностью равной k = N/p, где N количество одночастичных дескрипторов системы, p – количество вычислителей, выполняющих расчет. Эффективной считается загрузка, при которой вычислители завершают расчет дескрипторов одновременно.

Конечной целью расчета каждого вычислителя является получение новых значений элементов одночастичных дескрипторов {Dlv(i)}, рассчитываемых по формуле (1). Для получения новых значений элемента Eqn382_1.wmf требуется расчет элементов Eqn383.wmf, в которых идет пересчет отношений i и j элемента, для всех фиксированных i со всеми j и где i ≠ j

Eqn384.wmf (1)

Эта часть расчета имеет квадратную зависимость от числа дескрипторов {Dlv(i)} и является самой затратной по времени в процессе моделирования системы. Сократить время расчета можно за счет уменьшения обсчитываемых отношений между дескрипторами.

Для этого применяется алгоритм «диагональной матрицы», в котором, элемент Eqn385.wmf В этом случае время расчета Dlv{} сокращается в два раза, а количество обсчитываемых отношений становится равным (N(N – 1))/2. На рис. 1 наглядно отображен расчет элементов Eqn383.wmf, с использованием алгоритма «диагональной матрицы».

В этом случае количество отношений, которые нужно обсчитывать для накопителя Eqn386.wmf, равно N – 1, а для Eqn387.wmf, равно 0. Следовательно, если формировать рассчитываемые подмножества дескрипторов {Dlv(i)} для каждого вычислителя последовательными диапазонами с мощностью N/p, то загруженность вычислителей становится не равномерной. Для равномерной загрузки вычислителей разработан встречный алгоритм выборки дескрипторов в диапазон.

pic_93.wmf

Рис. 1. Применение алгоритма «диагональной матрицы» для расчета элементов двухчастичного дескриптора DΣ2(i)

Подмножества одночастичных дескрипторов {Dlv(i)}, рассчитываемых каждым вычислителем формируются по схеме, отображенной на рис. 2.

Все множество дескрипторов разбивается на два интервала [Dlv(i1), Dlv(iN/2)] и [Dlv(iN/2+1), Dlv(iN)][]. В нутрии каждого интервала дескрипторы распределяются по номерам, где i1 – номер первого дескриптора, iN – номер последнего дескриптора. Количество дескрипторов содержащихся в рассчитываемом подмножестве и передаваемых каждому вычислителю равно k. Из номеров дескрипторов находящихся на интервале [Dlv(i1), Dlv(iN/2)] формируется первая половина подмножества, а из номеров интервала [Dlv(iN/2+1), Dlv(iN)] формируется вторая половина подмножества.

Выборка дескрипторов происходит поочередно, сначала из первого интервала начиная с Dlv(i1) затем из второго интервала в обратном направление с Dlv(iN). Каждое подмножество получает следующий дескриптор через шаг равный p. На рис. 2 отображено распределение дескрипторов между вычислителями используя метод равномерной загрузки.

Метод равномерной загрузки вычислителей коррелированной системы N-частиц является оптимальными для однородной вычислительной среды и применяется для параллельного расчета дескрипторов в модели с распределенной памятью. Реализация данного метода в гетерогенной среде, когда совместно используются вычислители разные по типу и производительности, требует доработки. Так как из-за разницы в производительности более мощные вычислители, выполнив свои расчеты, простаивают.

pic_94.tif

Рис. 2. Формирование подмножеств одночастичных дескрипторов {Dlv(i)} с применением встречного расчета

В настоящее время разработанный метод равномерной загрузки вычислителей для параллельного расчета коррелированной системы N-частиц проходит апробацию в программном комплексе «MD-SLAG-MELT»[8,9].


Библиографическая ссылка

Трунов А.С., Дворянчикова А.А. МЕТОД РАВНОМЕРНОЙ ЗАГРУЗКИ ВЫЧИСЛИТЕЛЕЙ ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕННОГО МД-МОДЕЛИРОВАНИЯ КОРРЕЛИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ N-ЧАСТИЦ // Современные наукоемкие технологии. – 2013. – № 6. – С. 116-117;
URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=32019 (дата обращения: 15.08.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074