[发明专利]一种利用OPENMP和MPI混合加速量子介观体系求解的方法

摘要

本发明提供一种利用OPENMP和MPI混合加速量子介观体系求解的方法，将介观物理体系能带计算中的波矢独立出来，并使用MPI进程并行来实现。然后将每个MPI进程中的哈密顿量矩阵元初始化，交由多核处理器间的并行线程完成，这部分由OpenMP来实现。之后再调用并行数学库实现对矩阵本征值的求解。最后，将计算的结果归约到MPI主进程上并输出，从而有效加速介观物理问题求解的计算。本发明充分发挥多核处理器的强大计算能力，并有效回避节点间通信带宽低和延迟高的不足，进而极大的提高介观物理问题在现代高性能计算集群上的计算速度和扩展性，大幅缩短对介观体系的计算模拟时间。

主权项

一种利用OPENMP和MPI混合加速量子介观体系求解的方法，其特征在于将介观物理体系能带计算中的波矢独立出来，并使用MPI进程并行来实现；然后将每个MPI进程中的哈密顿量矩阵元初始化，交由多核处理器间的并行线程完成，这部分由OpenMP来实现；之后再调用并行数学库实现对矩阵本征值的求解；最后，将计算的结果归约到MPI主进程上并输出，从而有效加速介观物理问题求解的计算；组织流程如下：（1）写出介观体系物理问题的体系哈密顿量，选择合适的基矢展开哈密顿算符，给出哈密顿矩阵元的表达式；（2）根据能带计算的波矢数目，使用MPI并行化每个波矢点的计算；（3）使用OpenMP隐语对哈密顿矩阵元初始化计算的两重循环并行化，其中可能需要考虑到一些循环体内变量的私有性，并根据每个线程的计算量和处理器的计算能力调整OpenMP线程的负载平衡；（4）对完成初始化计算的给定波矢下的哈密顿矩阵元做对角化操作，该部分可以调用第三方数学库，且有些数学库已经做到了对矩阵对角化计算的并行化；（5）在完成每个波矢点的能级计算后，使用MPI函数将结果归约到MPI主进程，并按指定的格式输出；（6）成计算得到能谱。