格点量子色动力学组态产生和胶球测量的大规模并行及性能优化

格点量子色动力学(Lattice Quantum Chromo Dynamics,LQCD)是目前已知能系统研究夸克及胶子间低能强相互作用的非微扰计算方法.计算结果的统计和系统误差原则上都是可控的,并能逐步减少.基于格点QCD的基本原理,更大的格子体积意味着可以计算更大空间的物理过程,并且可以对空间进行更加精细的划分,从而得到更加精确的结果.因而大体系的格点计算对QCD理论研究有着重要意义,但对程序计算性能提出了更高要求.本文针对格点QCD组态生成和胶球测量的基本程序,进行了其大规模并行分析和性能优化的研究.基于格点QCD模拟采用的blocking和even-odd算法,我们设计了基于MPI和OpenMP的并行化算法,同时设计优化数据通信模块:针对复矩阵的矩阵乘等数值计算,提出了向量化的计算优化方法:针对组态文件输出瓶颈,提出了并行输出组态文件的实施方法.模拟程序分别在Intel KNL和“天河2号”超级计算机x86_64队列进行了测试分析,证实了相应的优化措施的有效性,并进行了相应的并行计算效率分析,最大测试规模达到了1728个节点(即41472 CPU核).

异构计算量子化学软件的研发恰逢其时

量子化学计算软件在化学研究中扮演着日益重要的角色。利用前沿的计算机架构开发高性能量子化学软件,也受到软件开发者的广泛关注。近年来,随着GPU等加速部件展现出越来越强大的计算能力,异构计算也逐渐成为了量子化学软件的研究热点。本文介绍了异构计算技术的软硬件基础;综述了异构计算技术在计算化学,尤其是量子化学领域最新的研究进展和应用,涉及基于图形处理器(GPU)、协处理器(co-processor)的计算加速;并简要介绍了应用异构计算技术的相关量子化学软件。从这些研究的发展中我们可以看出,异构计算已经成为加速量子化学计算的巨大推动力量。对于诸多著名量子化学软件,其辉煌成就已成为了某种意义上的"历史负担",而异构计算为量子化学软件跨越式发展提供的机遇使得该应用领域国产软件的研发恰逢其时。

基于GPU的Hartree-Fock与密度泛函算法及程序

基于图形处理单元(GPU)的算法和程序为解决量子化学中的计算瓶颈开辟了道路.作者设计了基于GPU的量子化学算法和程序,实现了Hartree-Fock方法和密度泛函理论中双电子排斥积分计算、Fock矩阵构造以及交换相关泛函的计算.由于计算内核使用OpenCL编程框架,程序可以在多种架构的计算设备上执行.对于不同计算模块和分子自洽场计算的测试表明,基于OpenCL的GPU程序相比CPU上的串行程序实现了最快148倍的加速.