[发明专利]一种动力学蒙特卡洛并行模拟的通信优化方法及其系统

说明书

本发明提供一种动力学蒙特卡洛并行模拟的通信优化方法及系统，其中，所述方法包括：构造通信数据结构；构建邻居进程的图状拓扑结构；开启进程外迭代；按照预设顺序从多个子区域中选择一个子区域；进程当前选择的子区域数据通过构造的所述通信数据结构与邻居进程通信；迭代结束。本发明还提供一种动力学蒙特卡洛并行模拟的通信优化系统。本发明提供的技术方案通过构建进程图状拓扑结构，使用邻居集合通信函数代替原有的点到点通信函数，进而降低了通信时间复杂度，通过优化程序流程，选取最优的子区域迭代顺序，合并相邻两次内迭代的部分通信操作，从而减少了部分通信冗余数据，减少了进程间的同步等待时间，使负载更加均衡。

技术领域

本发明涉及并行区域分解的通信优化领域，尤其涉及一种基于SPPARKS并行框架的动力学蒙特卡洛并行模拟的通信优化方法及其系统。

背景技术

动力学蒙特卡洛(KMC，Kinetic Monte Carlo)方法是广泛应用的材料辐照损伤计算机模拟手段之一，其关键是通过建立一个随机过程或概率模型，计算近邻原子之间的相互作用势能的发生概率，可以模拟介观尺度下较大规模、较长时间的材料微观结构演化过程。动力学蒙特卡洛并行模拟是结合高性能计算机和动力学蒙特卡洛方法形成的并行模拟方法，能够进一步突破现有的时空尺度限制、内存容量限制，实现与实验相当的时间、空间尺度的介观尺度模拟，是材料领域高性能模拟最常用的方法之一。

由于动力学蒙特卡洛固有的串行性，并行模拟方法存在并行效率低、内存开销大，甚至难以保证模拟结果正确性等问题。有学者提出了一个适用于并行模拟的SL算法，并且还提出了以SL算法为基础开发了一个用于动力学蒙特卡洛并行模拟的C++通用框架SPPARKS，可以在损失部分精度的条件下实现三维大规模并行模拟。SPPARKS将每一个进程的数据区域进一步划分成子区域，并在进程内对子区域进行编号，每个进程并行处理对应于同一编号子区域的数据避免进程之间的数据冲突。在初始化阶段，初始化要模拟的晶格点的数据，建立进程拓扑并经过区域分解将数据均匀分配到相应进程。内迭代中，每个进程执行两次数据交换并进行计算直到达到给定的内迭代时间阈值。在每次外迭代中，总数8个子区域轮询执行计算。首先，一个进程就当前计算子区域的边界数据，使用点对点通信操作与邻居进程进行数据交换。接下来，进程在当前子区域随机地选择一个模拟事件执行，更新当前子区域受影响的格点信息。最后，进程使用当前子区域边界数据执行第二次点对点通信操作，进入下一个子区域的计算。第一次模拟内迭代结束后，无论下一次内迭代完成时是否达到给定的外迭代时间阈值，都会继续执行直到8次内迭代结束。

上述SPPARKS框架并行模拟时的特点是，8次内迭代大量使用点对点通信，通信函数MPI_Irecv()和MPI_Send()总执行时间占到总通信时间的90％以上，带来很大的通信开销。并且，同一进程当前计算子区域在内迭代开始后、结束前两次点对点通信过程中，有部分数据由于未发生更改，是不必进行交换的，这造成单次通信操作交换的数据量大于必要的数据量，增加了单次通信操作的时间。此外，对于KMC并行模拟时中心进程需要与周围多个邻居进程通信的进程拓扑，点对点通信提高了通信时间复杂度，降低了并行效率，使负载不均衡问题更加突出。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种动力学蒙特卡洛并行模拟的通信优化方法及其系统，旨在解决现有KMC大规模并行算法中邻居进程间点到点通信引起的负载不均衡问题。

本发明提出一种动力学蒙特卡洛并行模拟的通信优化方法，其中，所述方法包括：

构造通信数据结构；

构建邻居进程的图状拓扑结构；

开启进程外迭代；

按照预设顺序从多个子区域中选择一个子区域；

进程当前选择的子区域数据通过构造的所述通信数据结构与邻居进程通信；

迭代结束。