基于GPU的固态晶体硅分子动力学算法优化

分子动力学模拟通常用于晶体硅热力学性质的研究，因原子间采用复杂的多体作用势，分子模拟通常面临较高的计算负载，导致计算的时间和空间尺度受限。图形处理器(GPU)采用并行多线程技术，用于计算密集型处理任务，在分子动力学模拟领域中显示巨大的应用潜力。因此，充分利用GPU硬件架构特性提升固态共价晶体硅分子动力学模拟的时空尺度对晶体硅导热机制的研究具有重要意义。基于固态共价晶体硅分子动力学模拟算法，提出面向GPU计算平台的固定邻居算法设计与优化。利用数据结构、分支结构优化等方法解决分子动力学模拟的固定邻居算法全局访存和分支结构的耗时问题，降低数据访存消耗和分支冲突，通过改变线程并行调度方式，在GPU计算平台上实现高性能并行计算，有效解决计算负载问题。实验结果表明，LAMMPS双精度固态晶体硅分子动力学模拟与双精度固定邻居算法的加速比为11.62,HOOMD-blue双精度固态晶体硅分子动力学模拟与双精度固定邻居算法和单精度固定邻居算法的加速比分别为9.39和12.18。     

基于GPU的分子动力学模拟Cell Verlet算法实现及其并行性能分析

分子动力学模拟存在空间和时间的复杂性,并行加速分子的模拟过程尤为重要。基于GPU硬件数据并行架构的特点,组合分子动力学模拟的原子划分和空间划分的并行策略,优化实现了短程作用力计算Cell Verlet算法,并对分子动力学核心基础算法的GPU实现做了优化和性能分析。Cell Verlet算法实现首先采用原子划分的方式,将每个粒子的模拟计算任务映射到每个GPU线程,并采用空间划分的方式将模拟区域进行元胞划分,建立元胞索引表,实现粒子在模拟空间的实时定位;而在计算粒子间的作用力时,引入希尔伯特空间填充曲线方法来保持数据的线性存储与数据的三维空间分布的局部相关性,以便通过缓存加速GPU的全局内存访问;也利用了访存地址对齐和块内共享等技术来优化设计GPU分子动力学模拟过程。实例测试与对比分析显示,当前的算法实现具有强可扩展性和加速比等优势。     

Particle-Mesh-Ewald(PME)算法在GPU上的实现

分子动力学模拟(MD)是分子模拟的一类常用方法,为生物体系的模拟提供了重要途径。由于计算强度大,目前MD可模拟的时空尺度还不能满足真实物理过程的需要。作为CPU的加速设备,近年来,GPU为提高MD计算能力提供了新的可能。GPU编程难点主要在于如何将计算任务分解并映射到GPU端并合理组织线程及存储器,细致地平衡数据传输和指令吞吐量以发挥GPU的最大计算性能。静电效应是长程作用,广泛存在于生物现象的各个方面,对其精确模拟是MD的重要组成部分。Particle-Mesh-Ewald(PME)方法是公认的精确处理静电作用的算法之一。本文介绍在本实验室已建立的GPU加速分子动力学模拟程序GMD的基础上,基于NVIDIACUDA,采用GPU实现PME算法的策略,针对算法中组成静电作用的三个部分即实空间、傅立叶空间和能量修正项,分别采用不同的计算任务组织策略以提升整体性能。使用事实上的标准算例dhfr进行的测试结果表明,实现PME的GMD程序,性能分别是Gromacs4.5.3版单核CPU的3.93倍,8核CPU的1.5倍,基于OpenMM2.0加速的Gromacs4.5.3GPU版本的1.87倍。     

使用GPU加速分子动力学模拟中的非绑定力计算

在分子动力学模拟(MD)中,对非绑定力的计算需要花费大量的时间。本文提出了基于CUDA和Brook+的两种双精度算法,分别在NVIDIA和AMD两款主流GPU上实现了非绑定力的计算,借助GPU的计算能力加速了整个MD程序。算法对MD进行了任务分割,采用区域分解的方法将非绑定力的计算映射到GPU的计算核心上,同时针对两款GPU的各自特点提出了线程块内共享存储、最小化数据集两种优化方法。性能测试结果表明,与Intel Xeon 2.6GHzCPU的单核相比,43.2万粒子的高速粒子碰撞模拟,在配置NVIDIA Tesla C1060的系统上性能提高了6.5倍,在配置AMD HD4870的系统上性能提高了4.8倍。     

GPU加速分子动力学模拟的热力学量提取*

近年来,统一计算设备架构(CUDA)的提出和图形处理器（GPU）快速提升的并行处理能力和数据传输能力,使得基于CUDA的GPU通用计算迅速成为一个研究热点。针对含有大规模分子动力学模拟的热力学量提取效率低下的问题,提出了分子动力学模拟的热力学量提取的新方法,利用CUDA设计了并行算法,实现了利用GPU加速分子动力学模拟的热力学量提取。实验结果表明,与基于CPU的算法相比, GPU可以提高速度500倍左右。     

gAC:基于GPU的高性能AC算法

字符串匹配是计算科学中研究最广泛的问题之一,已成为信息检索和生物计算等领域的核心操作。然而受限于CPU的计算能力和存储器访问带宽,传统的串行字符串匹配算法难以进一步提升性能。GPU在计算能力和存储器访问带宽上有很大提升,已经在很多应用上取得了卓越成效。gAC作为一种基于GPU的并行AC算法,针对GPU的SIMT(Single-Instruction Multiple-Thread)以及合并存储器访问的技术特点,采取了减少条件分支、合并访问全局存储器等优化方法,使得在C1060GPU上的字符串扫描速度达到51Gb/s,比基于CPU的串行算法提升了28倍。     

MD模拟GPU并行计算现状研究

作为高性能科学计算的典型应用,利用GPU并行加速分子动力学模拟是2007年以来计算化学领域高性能计算的热点。本文概述了支持GPU加速的不同MD软件的特点和其研究进展,重点分析了Amber、GROMACS、ACEMD三个代表性软件的单GPU卡和多GPU卡计算性能,结果表明在配置相同数目GPU卡的情况下,单节点比多节点在计算性能上较有优势,桌面工作站配多块GPU卡是性价比相对较好的MD模拟计算模式。本文还考察了单精度和双精度GPU加速MD的模拟计算结果的准确性,与CPU的计算结果进行了比较,结果表明,GPU的计算结果总体而言是可信的。最后,本文对GPU并行加速MD模拟的研究现状进行总结并对未来发展做了展望。     

GPU并行计算集群上的LAMMPS分子动力学模拟性能测试

近年来GPU作为一种具有极强运算能力的多核处理器,得到了快速的发展,成为高性能计算领域的主要发展方向。各种分子动力学模拟的主流软件也纷纷使用GPU技术,其中LAMMPS较早地开发出了通用的并行GPU版本。本文利用nVIDIA公司最新Femi架构的Tesla C2050 GPU搭建了小型的基于LAMMPS的分子动力学模拟GPU并行计算集群,通过氩原子熔化的算例对集群性能进行了测试,测试的内容包括CPU集群、单节点单GPU、单节点多GPU以及多节点GPU集群。比较了各种情况的加速倍数并对造成性能改变的原因进行了讨论,分析了用于MD模拟的GPU并行计算集群性能的瓶颈所在,提出可能的解决方法,搭建集群时,充分考虑PCI总线的承受能力,对于集群效率的提高有很大好处。测试结果表明,集群的性能较高,相对于以往的单机以及CPU集群,计算的规模大大提高了,加速比也在20倍以上。可以预测,在未来一段时间内,多GPU并行是分子动力学模拟的发展方向。     

基于GPU多流并发并行模型的NDVI提取算法

利用GPU进行加速的归一化差分植被指数(Normalized Differential Vegetation Index,NDVI)提取算法通常采用GPU多线程并行模型,存在弱相关计算之间以及CPU与GPU之间数据传输耗时较多等问题,影响了加速效果的进一步提升。针对上述问题,根据NDVI提取算法的特性,文中提出了一种基于GPU多流并发并行模型的NDVI提取算法。通过CUDA流和Hyper-Q特性,GPU多流并发并行模型可以使数据传输与弱相关计算、弱相关计算与弱相关计算之间达到重叠,从而进一步提高算法并行度及GPU资源利用率。文中首先通过GPU多线程并行模型对NDVI提取算法进行优化,并对优化后的计算过程进行分解,找出包含数据传输及弱相关性计算的部分;其次,对数据传输和弱相关计算部分进行重构,并利用GPU多流并发并行模型进行优化,使弱相关计算之间、弱相关计算和数据传输之间达到重叠的效果;最后,以高分一号卫星拍摄的遥感影像作为实验数据,对两种基于GPU实现的NDVI提取算法进行实验验证。实验结果表明,与传统基于GPU多线程并行模型的NDVI提取算法相比,所提算法在影像大于12000*12000像素时平均取得了约1.5倍的加速,与串行提取算法相比取得了约260倍的加速,具有更好的加速效果和并行性。     

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。     

CPU-GPU协同计算加速ASIFT算法

ASIFT(Affine-SIFT)是一种具有仿射不变性、尺度不变性的特征提取算法,其被用于图像匹配中,具有较好的匹配效果,但因计算复杂度高而难以运用到实时处理中。在分析ASIFT算法运行耗时分布的基础上,先对SIFT算法进行了GPU优化,通过使用共享内存、合并访存,提高了数据访问效率。之后对ASIFT计算中的其它部分进行GPU优化,形成GASIFT。整个GASIFT计算过程中使用显存池来减少对显存的申请和释放。最后分别在CPU/GPU协同工作的两种方式上进行了尝试。实验表明,CPU负责逻辑计算、GPU负责并行计算的模式最适合于GASIFT计算,在该模式下GASIFT有很好的加速效果,尤其针对大、中图片。对于2048*1536的大图片,GASIFT与标准ASIFT相比加速比可达16倍,与OpenMP优化过的ASIFT相比加速比可达7倍,极大地提高了ASIFT在实时计算中应用的可能性。     

基于GPU的分子动力学模拟并行化及实现

分子动力学模拟作为获得液体、固体性质的重要计算手段,广泛应用于化学、物理、生物、医药、材料等众多领域。模拟体系的复杂性和精确性的需求,使得计算量巨大,耗费时间长。并行计算是加速大规模分子动力学模拟的霍要途径。GPU以几百GFlops甚至上I}Flops的运算能力,为分子动力学模拟等的计算密集型应用提供了新的加速方案。提出了一种基于GPU的分子动力学模拟并行算法—oApT-AD,并在OpenCL和CUDA框架下加以实现。,r}能测试显示,在Tesla C1060显卡上,该算法在OpcnCL框架下的实现相对于CPU的串行实现,最高达到120倍加遥比。通过对比发现,该算法在CUDA上的性能与()pcnCI、基本相当。同时,该算法还可以扩展到两块及以上的GPU上,具有良好的可扩展性。     

GPU加速分子动力学模拟中的电荷分布计算

在集群与GPU组成的异构并行计算平台上,使用MPI+CUDA混合编程模型,实现基于ABEEMσπ模型的分子动力学模拟中电荷分布的计算.通过对电荷分布分布求解中的计算部分移植到GPU上进行,并针对算法中通信开销大和资源未充分利用的问题,通过异构平台的异步并发方法进行优化,提高了求解效率.性能测试结果表明,相比于单纯MPI并行算法,优化后GPU加速的异构并行算法,在化学大分子模型电荷分布计算上,有着明显的性能优势.     

PME算法在神威太湖之光上的移植和优化

分子动力学模拟(MD)是一套通过计算机模拟生物体系内分子、原子运动的多体模拟方法.GROMACS是著名的MD应用,能够快速模拟生物及非生物体系运动过程,广泛应用于各高性能平台.作为世界排名第3的超级计算机,神威太湖之光拥有40960块SW26010异构众核处理器,峰值性能达到125.4PFlops.目前太湖之光上已有对GROM ACS短程力优化的相关研究,但对于PM E(Particle Mesh Ewald)算法未有探索性工作.本文基于申威平台对PME算法展开研究,针对随机访存模式、网格点写写冲突等挑战,提出了基于局部网格序的分块策略、数据重组策略、非线性函数近似等方法进行优化.最终优化后的结果相较于初始版本性能提升了8.85倍,相较于Intel CPU版本提升了1.2倍.本文采用的优化技术也可以为神威太湖之光上其他分子动力学模拟软件和涉及散乱数据插值程序的优化提供借鉴.     

GROMACS软件并行计算性能分析

分子动力学模拟是对微观分子原子体系在时间与空间上的运动模拟,是从微观本质上认识体系宏观性质的有力方法.针对如何提升分子动力学并行模拟性能的问题,本文以著名软件GROMACS为例,分析其在分子动力学模拟并行计算方面的实现策略,结合分子动力学模拟关键原理与测试实例,提出MPI+OpenMP并行环境下计算性能的优化策略,为并行计算环境下实现分子动力学模拟的最优化计算性能提供理论和实践参考.对GPU异构并行环境下如何进行MPI、OpenMP、GPU搭配选择以达到性能最优,本文亦给出了一定的理论和实例参考.     

数字岩心中的Boltzmann并行算法优化

针对LBM在应用过程中计算规模过大的问题,提出了一种优化算法。该算法明显改善了计算时间过长的问题;对访问的边界数据进行特殊处理,减少了分支判断逻辑;根据三维岩石微观图像的特点进行了空间结构优化,避免了无效格子点在线程中的运行,提高了GPU运算效率。实验结果表明,优化后的计算速度有明显提升。     

基于OpenCL的直方图生成算法优化方法研究

随着GPU计算能力及可编程性的不断增强,采用GPU作为通用加速器对应用程序进行性能加速已经成为提升程序性能的主要模式。直方图生成算法是计算机视觉的常用算法,在图像处理、模式识别、图像搜索等领域都有着广泛的应用。随着图像处理规模的扩大和实时性要求的提高,通过GPU提升直方图生成算法性能的需求也越来越强。在GPU计算平台关键优化方法和技术的基础上,完成了直方图生成算法在GPU计算平台上的实现及优化。实验结果表明,通过使用直方图备份、访存优化、数据本地化及规约优化等优化方法,直方图生成算法在AMD HD7850 GPU计算平台上的性能相对于优化前的版本达到了1.8~13.3倍的提升;相对于CPU版本,在不同数据规模下也达到了7.2~210.8倍的性能提升。     

基于GPU的碳纳米管分子动力学并行仿真

基于计算机的分子动力学仿真具有理论分析方法和实验方法无法比拟的优点,但分子动力学仿真算法计算量非常大,特别是在对碳纳米管的大规模粒子数进行仿真处理时,普通的基于CPU的串行算法执行效率低且耗时多。为此,提出基于统一计算设备架构的碳纳米管分子动力学的图形处理单元( GPU)并行算法,设计并实现仿真算法中适合GPU并行运算的分裂算法,将具有竞争资源的运算以非竞争方式运行。实验结果表明,与CPU串行仿真算法相比,分裂算法的运算速度较快,且在只有16个GPU流处理器显卡上可获得十多倍的加速比。     

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。     

基于GPU的图像特征并行计算方法

特征提取与描述是众多计算机视觉应用的基础。局部特征提取与描述因像素级处理产生的高维计算而导致其计算复杂、实时性差,影响了算法在实际系统中的应用。研究了局部特征提取与描述中的关键共性计算模块——图像金字塔机制及图像梯度计算。基于NVIDIA GPU/CUDA架构设计并实现了共性模块的并行计算,并通过优化全局存储、纹理存储及共享存储的访问方式进一步实现了其高效计算。实验结果表明,基于GPU的图像金字塔和图像梯度计算比CPU获得了30倍左右的加速,将实现的图像金字塔和图像梯度计算应用于HOG特征提取与描述算法,相比CPU获得了40倍左右的加速。该研究对于基于GPU实现局部特征的高速提取与描述具有现实意义。