[发明专利]一种原子尺度MD-KMC并行模拟统一建模方法及系统

说明书

本发明公开一种原子尺度MD‑KMC并行模拟统一建模方法及系统，所述方法包括：建立原子尺度统一架构；基于所述原子尺度统一架构的分子动力学模拟；基于所述原子尺度统一架构的动力学蒙特卡洛模拟。统一建模方法便于软件开发与性能优化。将粒子存储、并行与通信算法及势函数独立出来形成单独模块，可便于MD、KMC软件开发模块间的解耦；在超算架构上进行性能优化时，其效果可直接同时作用于上层MD、KMC软件，起到“一处优化、两处提升”的效果，支撑MD、KMC模拟同时达到大规模模拟计算水平。

技术领域

本发明属于高性能计算与算法技术领域，面向材料计算模拟应用，具体涉及并行分子动力学程序与并行动力学蒙特卡洛统一建模技术，尤其涉及一种原子尺度MD-KMC并行模拟统一建模方法及系统。

背景技术

材料的演化行为是多尺度过程，空间上跨越原子、缺陷团簇、宏观等多个尺度，时间上跨越飞秒到秒甚至年数个量级，采用计算机模拟，特别采用超级计算机来模拟的方式来研究材料演化行为是常用的手段，也是目前材料科学与计算机跨学科研究中的热门领域。其中，在原子尺度上，分子动力学方法(Molecular Dynamics，MD)和动力学蒙特卡洛方法(Kinetic Monte Carlo，KMC)是两种原子尺度的经典且重要的模拟方法。目前经典的MD模拟，其时间尺度基本只能在纳秒量级；而通过MD和KMC耦合模拟，可以将模拟的时间尺度延长到秒或年量级。由于利用MD和KMC进行材料模拟对计算机的计算能力与内存需求巨大，一般需要引入大规模并行计算以实现分布式内存和提高计算速度。

MD方法是建立在经典牛顿运动定律的基础上的一种计算方法，以每一个粒子为研究对象，这些粒子构成的系统中，每个粒子在其他粒子所提供的经验势场的作用下运动。在每一个模拟时间步Δt内，需要遍历每一个粒子的邻居粒子，通过势函数计算其间的相互作用力，并通过受力依据牛顿运动定律更新体系粒子的速度和位置等。KMC方法采用体系事件随机抽样的方式，来推动体系向前演化。对于每次体系事件抽样，需要计算体系跃过势垒及到达新的体系状态的概率(即跃迁概率)，其中跃迁概率的计算可以采用势函数计算体系势能获得。如果MD和KMC模拟方法均采用空间分解进行并行，在实现上粒子存储、并行算法、并行通信策略和势函数等计算模块都是共通的。

为了使得原子尺度的MD、KMC模拟方法能够进行大规模与更长时间的模拟，便于两者进行耦合计算时的参数高效传递以及便于面向大规模并行的软件开发，本发明提出了一种MD、KMC并行模拟程序的统一建模方案。

发明内容

提供了本发明以解决现有技术中存在的上述问题。因此，需要一种原子尺度MD-KMC并行模拟统一建模方法及系统，将并行MD、KMC模拟方法中的粒子存储、并行策略、通信策略和势函数计算进行统一考虑，形成了原子尺度模拟的统一架构。该方案可有效进行软件模块的复用与两软件交互时的参数传递，支撑原子尺度材料模拟在超级计算机上实现高性能与高精度的计算。

本发明提供一种原子尺度MD-KMC并行模拟统一建模方法，所述方法包括：

建立原子尺度统一架构；

基于所述原子尺度统一架构的分子动力学模拟；

基于所述原子尺度统一架构的动力学蒙特卡洛模拟。

进一步地，所述原子尺度统一架构包括：

并行区域划分模块，被配置为：给定模拟区域大小x、y、z与并行MPI进程数n，其中x、y、z为三维空间上各方向的晶格数，利用MPI的函数实现并行区域划分，每个MPI进程得到其所模拟的区域大小及范围；

粒子存储数据结构和邻居粒子查找模块，包括：

第一初始化接口，被配置为：给定单个MPI进程模拟区域大小(u、v、w)与用于通信的ghost区域大小(g、g、g)，进行粒子内存申请，并按照要求初始化粒子位置(如放置粒子在晶格点上)；