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30000字硕士毕业论文基于中央处理器处理器集群的分子动力学仿真系统并行计算研究

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:30000字
论点:势能,分子,计算
论文概述:

分子动力学1.1.1分子动力学简介计算机模拟又称为计算机仿真【i1,是指用来模拟特定系统之抽象模型的计算机程序,它是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。分子动力学模拟[f2l是一种离散

论文正文:

  1绪论        分子动力学1.1.1分子动力学简介计算机模拟又称为计算机仿真【i1,是指用来模拟特定系统之抽象模型的计算机程序,它是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。分子动力学模拟[f2l是一种离散模拟的方法,是计算量非常庞大的一种模拟分子运动的方法。其主要是以分子的运动规律为基础,计算一定规模的分子在一定时间内的运动变化情况如计算分子的坐标、速度和加速度等。根据计算过程中得到的这些值来计算得到所需的各种热力学量和其它宏观性质的数据,进行定性和定量的分析,从而得到分子体系的各种物理性质和化学性质。它是一种基于牛顿力学定律的热力学计算方法,现己广泛的应用于物理、化学、生物、材料、医学等各个领域。分子动力学模拟通常是由时间来推进体系演化,时间被离散成许多个时间点,两个相邻时间点的距离称为时间步长。其计算原理是首先初始化分子的运动状态以及与模拟相关的各个参数,利用力学运动方程求解,计算出分子的势能、受力及其加速度,然后更新分子的位置,同时根据得到参数值计算其宏观物理量等,根据计算结果得到模拟过程中各种性质。分子间的作用力分为键成力和非键成力。非键成力又分为长程作用力和短程作用力,在通用计算机上计算键成力的时间复杂度为O(N),而计算非键成力的时间复杂度则为。CN2),N为系统中的分子数。非键成力的计算时间占据整个系统计算时间的比例很大。        2势能函数在分子动力学中,原子间作用势能函数的选取非常重要,针对不同种类的材料,由于其结构不同,所选择的势能函数也不同,分子动力学计算所得的分子运动轨迹也会不同,这也就决定了计算结果与实际体系的接近程度。对势模型应用比较广泛,这种势能模型形式简单,程序容易实现,因为它只考虑两个原子之间的两体作用力,而不考虑原子之间的多体作用。最常用的对势模型是伦纳德一琼斯势能(Lennard-Jonespotential}L-J势能)(如图1.1所示),分子间的势能计算只与两个分子的所在位置有关,一般适合气体和液体的模拟,特别是用来描述惰性气体。本文的研究主要是针对惰性气体气进行实验,所以选择这个势能模型,其表达式为公式((1.1)所示。其中,‘为最小势能处的能量;Q为特征长度(一般为分子直径);rJ为分子1与分子j之间的距离;系数a和b分别表示斥力项和引力项的相对大小,如果a=1,b=0则表示只有斥力作用,反之,a=0,b=1则表示只有引力作用,一般情况下取a和b的值都为1。本文中采用的模型中a=1,b=1,则分子i与分子j之间的L-J作用力则被表示为公式(1.2)。图1.1L-J势能函数Fig.1.1L-JpotentialenergyfunctionMorse势函数表达式如下:u(r,})=D{exp[-2a(r一ro)]一2exp[-a(r;J一ro)}}(1.3)其中,D为势阱深度;a为最小值附近的曲率;ro为分子间作用力为0时对应的最小值的距离。这种势能通常用来构造多体势能函数的对势部分,根据材料的不同所选择的常量也不同。Bom-Mayer势函数也是一种常用的对势,这种势能比较适合离子型化合物的模拟,其表达式为: 参考文献[1〕郝宁湘.科学计算与科学观变革【J].科学技术与辨证法.2000, 17 (6) : 6-10. Rapaport D C. The art of molecular dynamics simulation[M],Cambridge, UK:CambridgeUniversity Press, 1995.   Allen M,  Tildesley D.  Computer Simulation of Liquids[M].Oxford,  UK :  OxfordUniversity Press, 1990. Quentrec B, Brot C. New Method for Searching for Neighbors in Molecular DynamicsComputations[J].Journal of Computation Physics. 1973, 13(3):430-432. Bird G A. Molecular gas dynamics and the direct simulation of gas flows[M].Oxford,UK:Clarendon press, 1994. Phillips J C, Braun R, Wang W, et al. Scalable molecular dynamics with NAMD[J].Journal of Computational Chemistry. 2005, 26(16):1781-1802.  摘要 4-5 Abstract 5-6 1 绪论 9-17     1.1 分子动力学 9-13         1.1.1 分子动力学简介 9         1.1.2 势能函数 9-11         1.1.3 系统运动方程 11-12         1.1.4 分子搜索算法 12-13     1.2 国内外研究现状 13-15     1.3 本文主要研究内容 15-17 2 GPU与并行计算 17-25     2.1 GPU简介 17-19         2.1.1 GPU的发展 17-18         2.1.2 CUDA技术 18-19         2.1.3 GPU的并行计算原理 19     2.2 并行计算 19-25         2.2.1 并行算法设计 19-21         2.2.2 并行任务分解算法 21-23         2.2.3 MPI消息通信 23-25 3 集群架构与系统总体设计 25-32     3.1 集群系统架构 25-26     3.2 系统总体设计 26-32 4 CPU-GPU集群上的并行实现 32-46     4.1 运行平台的搭建 32-35         4.1.1 安装网络文件系统 32         4.1.2 MPI并行编程环境的搭建 32-35         4.1.3 CUDA安装 35     4.2 系统初始化 35-36     4.3 并行任务划分算法 36-38     4.4 GPU上的并行计算 38-46 5 实验与结果分析 46-54     5.1 单CPU与单GPU的性能比较 46-49     5.2 单GPU与FPGA的性能比较 49-50     5.3 CPU集群与CPU-GPU集群的性能比较 50-54 结论 54-56 参考文献 56-59