机群计算在分子动力学模拟中的应用

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1、硕L学位论交机群计算在分子动力学中的应用摘要机群计算技术一直是计算机界研究的一个热点问题机群系统不但能够充分利用现有的计算资源，而且能够通过较低的软、硬件代价实现较高性能的计算机系统。随着微处理器技术和高性能网络技术的飞速发展，机群计算逐渐成为一种有成本效益的并行/分布式计算资源分子动力学计算是目前分子模拟研究的主要方法之一，它提供了一条从系统的微观细节探索实验过程宏观特性的捷径。它的价值在于可实验性、安全性、可进行超前研究、减少实验量、可节省大量实验费用等，所以欢物理、化学、‘}，物.F,药以及Hr

2、l的许多研究领域得到了越来越多广泛应用.分子动力学模拟结果的可靠性主要取决子模拟系统所采用的分子间相互作用的势能模型和模拟系统的分子数目，因为在计算过程中，粒子个数只有在无限多时，才能真实地再现物质的宏观行为，这使得分子动力学计算相当耗费机时，一般以周为单位。因此在计算条件允许的前提下，都尽可能的得高模拟系统的分子数，以获取高精度的模拟结果。然而随着系统模拟的分子数增加对计算机的要求(包括CPU逮度和内存容量等)成倍增加，这往往是个人PC所不能满足的，又由于巨型机甚至大型机的昂贵一般科研单位是难以承担

3、的。所以机群的应用符合了一般科研单位的需求，它可以由一些高档微机组成费用低廉，同时采用并行算法把大的任务分解到每个节点机上来代替大型机来进行计算从而提高了模拟结果的精度和缩t}.了计算时间本文介绍了机群计算在分子动力学计算中的应用。利用空间分解法和PVM软件，把分子动力学计算的串行算法改成在Linux机群下的并行算法。并在此基础L增加了检查点机制，我们同时也实现了容错和负载平衡功能。我们建立了两个全局的表结构structtask和structhostName.分别记录了系统所有任务的信息和系统所有节点

4、机的信息。任务的信息包括任务的TTD.TD以及其邻居住务的TD.节点机的信息包括节点机的名字和其上的任务信息。这两个表贯穿着整个系统运行，起着非常重要的作用，本文所实现的检查点机制，就是围绕着这两个表展开的。把分子动力学计算漪串行算法改成机群下的并行算法上要有两种:一是原子分解法，实现比较简单，但是存储量大、通信量大，比较适合小规模的计算:二是空间分解法，实现稍复杂，但是随着计算节点数的增加，节点之间的通信盒有呈减少的趋势，硕士学位论文机群计算在分子动力学中的应用是大规模计算的首选方法，本文采用的就是

5、空R分解法。由于粒子之间主要是短程力的作用，所以计算粒子之间的作用力时，我们采用了近邻表法，这样可以大大缩短整个系统的计算时间。而且两个粒子之间的作用力只计算一次，防止重复计算。检查点机制是本文的核心，容错、断点保存与恢复以及负载平衡都是在此基础之上实现的我们所实现的检查点机制不涉及系统的核心区，只与用户区有关，它只是保存了我们所计算的所有粒子的当前状态，这也是分子动力学的特点。所以冻结时间短，这样就可以大大减少对系统速度性能的影响。另外由于系统的需要，我们还要保存表结构structhostNamae

6、容错机制在大规模计算中有着非常重要的作用，我们所实现的容错机制主要有两个方面。一是侮隔一段时间，便保存一下检查点文件。当系统失效时，可以卷回检查点文件，从最近的检查点时刻继续往下执行;二是每个任务的检查点文件都冗余存放在其邻居节点处。当某个任务所在的节点失效时，可以从该邻居节点上卷回该检查点文件继续执行。防止由于单点的不可用，而影响整个系统的性能。负载平衡本文采用的是静态负载平衡和动态负载平衡相妹合的策略。先在初始化阶段采用静态负载平衡策略，达到大致的平衡:然后在系统运行期间很据各个节点的负载指标。运

7、用动态平衡策略达到最终的平衡。本文是利用任务迁移来头现动态负载平衡的任务迁移同样也是根据分子动力学的特点在用户区实现的，所以具有实现简单、冻结时间短的特点。任务迁移时，我们根据检查点机制，把该任务的检查点文件传送到要迁移的目的节点上，然后在其目的节点上派生一个任务，更新表结构structtask和structhos'Name把原仃务的户U.复制到新任务上，然后杀死原任务。最后完成了任务的迁移。本系统主要有以下儿个特点1.检查点机制简单，易于实现，冻结时间短。2.容错好，包括允许单点失效和整个系统的保存

8、与恢复，易于大规模计算。3.能够实现负载平衡，动态负载平衡所采用的任务迁移是在用户区实现的，所以其冻结时间短，而且实现简单。4.粒子之间作用力的计算，采用的是蛙跳法和近邻表法。加快了整个系统的运行。5，并行算法采用的是空间分解法，适合大规模计算。6.本系统只适用于分子动力学的模拟计算。本系统经实验验证，是正确的而且有良好的加速比。实验所采硕士学位论文机群计算在分子动力学中的应用用的粒子是氨原子、势函数是Lennard-Jones、三维面心结构、13500