超软赝势密度泛函分子动力学计算中的若干优化算法

基于密度泛函理论的第一性原理计算是科学计算中重要的领域,被广泛用于材料计算和量子化学等研究。我们在PEtot软件的基础上研发了GPU加速软件PWMat,本文主要介绍:1)针对超软赝势密度泛函算法部分的GPU算法优化与实现,取得了2-3倍的加速;2)针对超软赝势密度泛函分子动力学计算部分的若干算法优化,包括原子受力求解算法的修正、电荷密度和波函数的插值算法的改进等。其中原子受力的收敛精度获得了1-2个数量级的提高,电荷密度的收敛精度获得了2-4个数量级的提高。     

GPU集群下第一原理非局部映射势能计算

平面波赝势密度泛函（PWP-DFT）计算是材料计算中应用最广泛的方法,其中映射计算是PWP-DFT方法求解自洽迭代中重要的一部分。针对映射势能计算成为软件加速的瓶颈,提出了针对该部分的图形处理器(GPU)加速算法,其中考虑GPU的特点:1）使用了新的并行机制求解非局部映射势能;2）重新设计了数据分布结构;3）减少内存的使用;4）提出了一种解决算法中数据相关问题的方法。最终获得了18~57倍加速,使每步分子动力学模拟最终降为12s。详细分析了该模块在GPU平台上的测试时间,同时对该算法在GPU集群上的计算瓶颈进行了讨论。     

Ultra-Mat：基于平面波的第一原理异构计算软件

基于平面波的第一原理计算方法是目前材料科学中最常用的方法,但传统的CPU并行计算遇到可扩展性瓶颈,无法改善其求解的绝对速度。系统地介绍了利用图形处理器（graphic processing unit,GPU）加速技术开发的大规模第一原理材料计算软件：Ultra-Mat。该软件对第一原理平面波算法进行了系统的算法设计和软件实现：（1）通过采用并行方案,实现了快速傅里叶变换（fast Fourier transform,FFT）的GPU局部操作;（2）设计了基于数据压缩的混合精度算法,显著减少了电子结构计算部分的MPI（message passing interface）通信;（3）完成了逾90%代码的GPU实现,目的是最大限度地减少中间流程,以避免CPU-GPU切换引发的数据传输,这是GPU应用中公认的性能瓶颈。测试结果显示Ultra-Mat具有很好的计算性能,对于512原子的GaAs系统,在电子结构计算部分,使用256 GPU卡相比4096 CPU核心有18倍的加速。     

高性能应用软件并行优化策略的研究

多核时代的来临对现有的应用软件提出了严重挑战,串行代码难以充分发挥硬件资源的性能;软件的并行优化成为亟待解决的重要问题。本文综合了 MPI,OpenMP,众核编程模型 CUDA 三个编程模型进行研究,讨论了适用于不同软件并行优化的方法,提出了适用于企业级应用的软件并行优化策略,最后总结和展望了软件并行优化的挑战和前景。