[发明专利]一种针对分子动力仿真模型的并行化加速方法

权利要求书

1.一种针对分子动力仿真模型的并行化加速方法，针对具有时间依赖性的分子动力系统数据计算任务，采用运行在众核架构、以GPU为协处理器的集群进行分子动力学模型的并行化计算加速，使得在集群计算性能相同时，能够自适应地找到一个最大的时间步长进行一次数据交换，从而实现模型运行速度的加速优化；通过采用消息传递接口MPI进行节点间的计算并行化，采用统一计算设备架构CUDA，在单机上利用GPU进行并行加速；

在单机上利用GPU进行并行加速，具体通过将数据平均拆分成多份，放到各处理器中独立处理一段时间步长，然后再进行同步操作，各处理器交换数据，直到计算结果不发生改变，得到正确的计算结果；再继续进行下一轮迭代计算；包括如下步骤：

A.对计算任务进行拆分，执行操作A1～A2：

A1.记所有待计算的粒子数为N，存储每个粒子的状态信息数据为X，粒子标号从0到N-1，x_i表示i号粒子的状态数据，集群中可用处理器核数为P，处理器标号从0到P-1，P_i表示第i号处理器；

A2.将N个粒子平均分为P份，处理器P_i计算第N/P*i号粒子到N/P*(i+1)-1号粒子；当i＝P-1时，处理器P_i计算第N/P*i号粒子到N-1号粒子；在每个处理器中设置两块存储空间，一块用于存储待计算粒子的状态数据，记为M1；另一块用于存储全局N个粒子的数据，记为M2；用P_i(M1)表示第i号处理器上待计算粒子的状态数据，集合m_i表示在P_i(M1)中存在的粒子，P_i(M2)表示第i号处理器上全体粒子的数据；

B.执行异步计算操作，包括B1～B3：

B1.设状态转移函数为式1：

x_i[t+dt]＝f(x₀[t],x₁[t],x₂[t]…x_N-1[t]) (式1)

其中，x_i[t]表示第i号粒子在t时间步的状态信息，dt为时间跨度，默认为1个单位的时间步；t初值为0；

处理器P_i选择粒子集合m_i，从P_i(M2)中取出粒子状态数据，代入状态转移函数，计算粒子集合m_i在dt后的状态数据DATA；

设定终止条件，当满足终止条件时计算完成，反之继续计算；

B2.设置跨步计数器step，step＝0；设置一块与P_i(M2)相等大小的新空间，记为P_i(M2)^step，根据状态数据DATA更新Pi(M1)和P_i(M2)^step；更新step和t：step++，t＝t+dt；

B3.设置step阈值为S，当step大于S时，执行步骤C进行数据同步；否则跳回步骤B1；

C.执行数据同步操作：

C1.处理器P_i以广播形式向其他处理器传输数据P_i(M2)⁰，P_i(M2)¹，P_i(M2)²，…，P_i(M2)^S+1；并等待其他P-1个处理器传来数据；

C2.处理器Pi将本地S+2组数据和其他处理器传来的数据一一进行比较，当数据全部相同时，设置S＝S+1，释放P_i(M2)⁰，P_i(M2)¹，P_i(M2)²…P_i(M2)^S数据，更新P_i(M2)为P_i(M2)^S+1并跳回步骤B，继续进行异步计算操作；反之，找到最早不同的数据，设为P_i(M2)^S’和P_j(M2)^S’，释放P_i(M2)^S’，P_i(M2)^S’+1，…，P_i(M2)^S+1数据，设置P_i(M2)为P_i(M2)^S’-1，设置S＝S-1，跳回步骤B，继续进行异步计算操作；

通过上述步骤，实现针对分子动力仿真模型的并行化加速。