| Ultra-Mat：基于平面波的第一原理异构计算软件 |
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| 作者姓名： | 贾伟乐 曹宗雁 王龙 迟学斌 高卫国 汪林望 |
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| 作者单位： | [1]中国科学院计算机网络信息中心,北京100190 [2]中国科学院大学,北京100190 [3]北京北龙超级云计算有限责任公司,北京100190 [4]复旦大学数学系,上海200433 [5]劳伦斯伯克利国家实验室,美国 |
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| 基金项目： | The National Natural Science Foundation of China under Grant Nos.10972215,60873113,11374328,11071047,（国家自然科学基金）the National Basic Research Program of China under Grant No.2010CB832702（国家重点基础研究发展计划（973计划）;the National High Technology Research and Development Program of China under Grant Nos.2010AA012301,2010AA012402（国家高技术研究发展计划（863计划）;the GPU Major Application Program under Grant No. XXH12503-02-03-04（GPU重点应用示范项目）;the＂One-Three-Five＂Strategic Planning of Computer Network Information Center of CAS under Grant No. CNIC_PY-1404（中科院网络中心＂一三五＂规划重点培育方向专项）;the Natural Science Foundation of Shanghai of China under Grant No.09ZR1401900（上海市自然科学基金）;the Program of the U.S. Department of Energy under Grant Nos. DE-AC02-05CH11231, DE-AC05-00OR22725（美国能源部项目）,INCITE Program（美国INCITE）项目 |
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| 摘 要： | 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。
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| 关 键 词： | 图形处理器（GPU） 第一性原理 平面波贋势密度泛函 |
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