一种基于CPU和GPU协作的分子动力学加速方法技术

本发明专利技术公开了一种基于CPU和GPU协作的分子动力学加速方法，目的是提出一种通过协同使用CPU和GPU的加速方法，在较低成本的情况下实现分子动力学的加速。技术方案是使用配置有多核CPU和GPU的计算机，对待模拟的分子系统建立“网格-单元”结构存储分子信息，使用CPU和GPU动态申请和处理网格，在处理网格时，CPU以单元为单位处理网格，GPU则直接处理整个网格，实现CPU和GPU高效协作地完成分子动力学模拟。采用本发明专利技术可使得CPU核之间负载均衡，避免静态分配计算任务时CPU和GPU可能出现闲置等待的情况，CPU和GPU都能充分发挥自己的计算性能，提高了整个计算机系统的利用率，以低成本实现了分子动力学的加速。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种分子动力学加速方法，尤指基于CPU和GPU协作的分子动力学加速方法。
技术介绍
分子动力学方法是一种依靠牛顿力学定律来模拟分子体系的运动，从而计算分子体系宏观性质的方法。它是研究纳米尺度物理现象的重要手段，广泛应用于材料科学、生物物理和药物设计等领域。随着模拟精度的提高和模拟规模的增大，分子动力学模拟时间也随之增长，从而对其实际应用产生了很大影响。目前通常的做法有以下几种1、通过组建集群系统来并行的进行模拟。但这种方法硬件成本较高，同时也需要开发人员不断改进并行算法来挖掘集群系统性能。因此在考虑硬件、人力成本时，不适宜采用该方法。2、通过定制专用计算机来加速模拟。针对分子动力学模拟的不同阶段定制相应的专用硬件进行计算，从而达到很高的模拟速度。但是这种机器硬件成本很高，目前该方法很少采用。3、利用通用加速单元GPU (Graphics Processing Unit，图形处理单元)来协作普通计算机进行模拟。目前GPU厂商为用户提供了通用编程模型如CUDA(统一计算架构模型)等对GPU进行编程，利用GPU浮点计算能力比CPU强的特点，使用GPU完成分子动力学中计算任务，从而提高模拟速度。但是该方法目前存在一些局限性，主要表现在使用GPU计算时，计算机中CPU处于闲置状态，计算机的总体利用率较低。第三种方法由于成本较低，是目前前景较大的分子动力学加速方法。但是目前该方法仍存在一些问题一方面CPU和GPU的计算模型不同，GPU适合一次性处理大量数据， 因此它要求分配的计算任务不能太小，而大块的计算任务又不利于CPU进行调度，为了使 CPU和GPU都能高效计算，必须设计大小适中的计算任务；另一方面CPU和GPU完成计算任务的时间难以估量，静态地分配计算任务会造成CPU或GPU出现闲置等待的情况，应根据两者的忙闲动态调整计算任务的分配，以保证两者皆不出现闲置等待的情况。但目前还没有公开的技术方案能较好解决这两方面的问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对当前基于GPU的分子动力学加速方法效率较低的问题，提出一种通过协同使用CPU和GPU的加速方法，使系统中CPU和GPU都能高效计算，从而在保持较低成本的情况下实现分子动力学的加速。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为使用配置有多核CPU和GPU的计算机，对待模拟的分子系统建立“网格-单元”结构存储分子信息，使用CPU和GPU动态的申请和处理网格，在处理网格时，CPU以单元为单位处理网格，GPU则直接处理整个网格， 从而实现CPU和GPU高效协作地完成分子动力学模拟。具体技术方案为第一步、构建配置有多核CPU和GPU的计算机系统。选择包含Q个O! > = 4)核的CPU作为计算机系统的处理器，选择支持CUDA的GPU通过PCI-E接口与CPU相连。CPU 的Q个核顺序编号为0，...，Q-I。第二步、从存储于硬盘的文件中读入分子系统相关参数，包括截断半径I 。和所有分子的数据量。其中截断半径I 。表示每个分子与其他分子发生作用的最大距离，如果两个分子之间的距离超过R。，则它们之间不发生作用。分子数据量包括分子总数目MN以及每个分子的编号、位置向量和速度向量。在CPU的内存中申请二维双精度浮点型数组Pos存储分子的位置向量，申请二维双精度浮点型数组Vel存储分子的速度向量。第三步、设置模拟参数，包括目标网格权重TW，目标模拟步数T和实际模拟步数t。 TW和T的值由模拟需求确定，Tff的值为期望网格包含的分子数目，T的值为需要模拟的步数，实际模拟步数t初始化为0。第四步、使用“网格-单元”结构表示分子系统，“网格-单元”结构的建立过程如下4. 1使用“单元”结构表示分子系统，步骤为4. 1. 1将分子系统划分为均勻组合的边长为Rc的η个正方体区域，称这些正方体区域为单元，将这些单元顺序编号为0，. . .，η-1。4. 1. 2在CPU的内存中初始化结构体数组SCell保存单元中的分子编号以及单元的邻接单元编号，称该结构体数组为“单元”结构，使用符号SCell (0 ^ k < η)表示序号为k的单元。每个“单元”拥有一个变量成员和两个数组成员，分别为单元内分子数目AN、 单元内分子编号数组AIdx和邻接单元编号数组NB。AIdx顺序存储单元中分子编号。NB顺序存储单元在三维空间中邻接沈个单元的编号。用符号SCell . AN表示序号为k的单元包含的分子数目；用符号SCell . AIdx表示序号为k的单元中分子编号数组；用符号 SCell . NB表示序号为k的单元邻接单元编号数组。4.2根据单元内分子数目SCelUk].AN(0<k<n)将多个单元组成区域，使每个区域中的分子数目相等，称这些区域为网格。在CPU的内存中用链表保存网格中分子信息以及网格处理标识，链表的每一个节点称为一个“网格”结构。每个“网格”结构拥有一个指针、一个整型变量、一个布尔变量、一个整型数组和四个双精度浮点型数组，分别为后续“网格”指针Next，网格内单元数目CN，网格处理标识R，网格内单元编号数组CIdx，网格内分子位置信息数组Ppos，网格内分子速度信息数组Pvel，网格内分子受力信息数组Pforce， 网格外分子位置信息数组Gpos。为了便于描述，用SPatch表示指向链表首节点的指针，称这个节点为SPatch指向的网格；用符号“一”引用节点中的元素。例如，用SPatch —Next 表示指向下一个网格的指针；用SPatch —CN表示SPatch指向的网格中单元数目；用 SPatch — R表示SPatch指向的网格处理标识，若SPatch — R的值为iTrue则表示SPatch 指向的网格已经被处理，若SPatch — R的值为False则表示SPatch指向的网格未被处理； 用SPatch — CIdx表示SPatch指向的网格中单元编号数组，用SPatch — CIdx (O^x < SPatch — CN)存储网格中序号为χ的单元编号；用SPatch — Ppos表示SPatch指向的网格内分子位置信息数组；用SPatch — Pvel表示SPatch指向的网格内分子速度信息数组；用SPatch — Pforce表示SPatch指向的网格内分子受力信息数组；用SPatch — Gpos表示SPatch指向的网格外分子位置信息数组。生成网格结构的步骤为4. 2. 1计算每个单元的权重W。，W1, ...，Wlri，其中Wk (0彡k < η)的值为单元k中分子数目SCell . AN。初始化当前网格负载PW为0，起始单元编号St为0，结束单元编号 Ed为0。初始化指针CP,使指针CP = SPatch04. 2. 2将指向下一个网格的指针CP — Next初始化为NULL，CP指向的网格中单元数目CP — CN初始化为0，CP指向的网格处理标识CP — R初始化为i^alse，CP指向的数组 CP — CIdx, CP — Ppos, CP — Pvel.CP — Pforce, CP — Gpos 全部初始化为 O。4. 2. 3判断PW是否小于目标网格权重TW，若是，执行4. 2. 4，否则本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：廖湘科，杨灿群，吴强，陈娟，李春江，杜云飞，彭林，左克，石志才，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：