本发明专利技术提供一种利用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。本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及高性能计算领域在计算物理学和纳米材料科学方面的应用领域，具体地说是一种利用OPENMP和MPI混合加速量子介观体系求解的方法。
技术介绍
随着人类社会的不断进步，科学技术的发展，人们对自然界的认识越来越广泛，并逐步的向微、纳观等物理体系结构深入。与此同时，生物技术、化学生产及制药的需求，也迫切的要求人们能够在电子、原子或分子尺度上来精确把握物体的性态，因此对介观体系的研究是与人类的生活密切关。就信息产业来说，现在的微处理器及存储器芯片的基本组成单元–晶体管的尺度已经达到了几十个纳米，已处理介观体系的范畴。通过对介观物理体系的研究，一方面可以在原有的物理理论，诸如经典欧姆定律等，已经失效的前提下，给出现有器件尺寸缩小的下限；另一方面，新发现的物理现象也为制作新型量子器件及新型材料提供了物理基础，如自旋电子学器件、量子点激光器等。一般说来属于介观范畴的物理体系种类繁多，包括量子点（也称作人造原子）、量子环、纳米线、纳米弹簧等等。从理论上对这些介观物理体系的研究和模拟计算对实验研究以及量子器件的制备具有重要的现实意义。自上个世纪量子力学理论诞生以来，人们逐步发展了诸如绝热近似、哈特里近似、哈特里-福克近似（Hartree-Fock）、密度泛函理论（DFT）、变分法（Variational Method）、随机相近似（Random-Phase Approximation）、分子动力学方法以及组态相互作用（Configuration Interaction）方法等等，来计算介观体系的物理问题。这些方法适用于不同的场合，对特定的介观体系有不错的计算效果。但对于需要考虑电子自旋的介观体系或稀磁半导体等物理问题，人们往往还是从介观体系严格的系统哈密顿量出发，通过选取合适的基矢函数将哈密顿算符展开成哈密顿矩阵，并通过求解量子力学本征值问题来得到介观的各物理量。相比较而言，该基展开哈密顿量的方法物理意义明确，且是数值精确的，只要基矢的数目足够多，所得到的结果将是严格的。在实际计算过程中，根据所研究介观体系的拓扑结构特点，人们往往选用不同的基矢以达到最快速收敛的目的。常用的基矢有：平面波型基矢、勒让德型基矢、贝塞尔基矢、拉盖尔基矢等等。为了使计算的结果尽可能的精确或计算体系的需求，实际往往需要大量的基矢（设为M），但随着基矢数目的增多，哈密顿矩阵的规模也急剧的扩大（M2），从而导致哈密顿矩阵的初始化工作繁重，甚至于计算中绝大部分的时间都将花费在哈密顿矩阵元的初始化计算上。如果我们可以加速哈密顿矩阵元的初始化，那么整个计算并不会花费太多的时间。此外，为了能精确的反映介观体系的物理特性，我们往往需要从能带上着手研究，而波矢（或磁场、电场等外场）间的计算相对独立，通信较少。因此，如何加速哈密顿矩阵元初始化和并行化能带计算是本专利技术所要解决的主要问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种利用OPENMP和MPI混合加速量子介观体系求解的方法。本专利技术的技术方案是按以下方式实现的，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。利用能带波矢间的相对独立性，将每个或数个波矢点的计算交由MPI进程来完成。对二维的哈密顿量元的初始化OpenMP化，并充分考虑到线程间的负载平衡性。 将计算的结果归约到MPI主进程，是指将各个MPI进程中所完成计算的波矢点上的能级值，通过MPI归约函数归约到指定的MPI主进程上，并将计算的最终结果以指定的形式输出。本专利技术针对介观问题中哈密顿矩阵元基矢展开计算的特点，将计算过程分为两个主要方面：初始化哈密顿量矩阵元（即使用基矢展开哈密顿量算符）和能带计算。对于前者由于需要初始化的矩阵元数目相对较大（ 个），要求较多的计算资源和较高的存储器带宽，而每一个矩阵元的计算量并不算太大，因此该部分属于细粒度计算，比较适用于在多核处理器上使用多线程来完成。OpenMP适合处理此类问题。对于后者，即能带计算，是各个波矢（或磁场、电场等外场）间相对独立的计算，它们之间并不需要太多的通信，因此比较适合使用MPI在节点间并行处理。这样即使在网络比较差的情况下，如千兆以太网，也可以拥有相当不错的扩展性和效率。本专利技术的优点是：本专利技术的一种利用OPENMP和MPI混合加速量子介观体系求解的方法和现有技术相比，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。附图说明图1为一种利用OPENMP和MPI混合加速量子介观体系求解的方法的流程图。实施方式下面结合附图对本专利技术的一种利用OPENMP和MPI混合加速量子介观体系求解的方法作以下详细说明。如图1所示，本专利技术的一种利用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。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（外场）数目，使用MPI并行化每个波矢（外场）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，且有些数学库本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
1.一种利用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...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘羽，
申请(专利权)人：浪潮集团有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37
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