Автореферат (786408)
Текст из файла
На правах рукописи Семенов Сергей Александрович ТЕХНОЛОГИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ АЛГОРИТМОВ МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НАНОСИСТЕМ НА ГРАФИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОРАХ Специальность: 05.13,11 — Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей Специальность: 05.13.18 — Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ АВТОРЕФЕРА'1 диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва — 2017 Работа выполнена на кафедре «Вычислительная математика и программирование» ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)».
Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Ревизников Дмитрий Леонидович Научный консультант: кандидат физико-математических наук„ Сластушенский Юрий Викторович Официальные оппоненты: Егоров Иван Владимирович, доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник ГНЦ ФГУП «Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского» Карпенко Антон Геннадьевич, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры гидроазромеханики ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет» Ведущая организация: Федеральное государственное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт прикладной математики им.
М.В. Келдыша Российской академии наук» Защита состоится «29» декабря 2017 года в 12 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.125.04 при ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» по адресу 125993, г. Москва, А-ЗО, ГСП-З, Волоколамское шоссе, д.
4. С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» или на сайте МАИ по ссылке: Ьцрз://пи(.гц/е~епьЯе(епсе/1пдех.рЬр7Е).ЕМЕЦ Ю=85260. Автореферат разослан «» 2017 г. Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.125.04, кандидат физико-математических наук Северина Н,С.
ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В последнее время все больший интерес вызывает проведение массивных вычислений с использованием графических процессоров 1бРЩ. Известны варианты применения графических ускорителей к задачам линейной алгебры, математической физики, вычислительной аэрогидродинамики и т.д. В отличие от универсальных процессоров (СР~3) видеочипы предназначены, в первую очередь, для параллельных вычислений с большим числом арифметических операций.
Упрощение инструкций одного ядра„ уменьшение потребления энергии и увеличение общего числа потоковых процессоров обуславливают преимущество графических ускорителей над традиционными высокопроизводительными вычислительными комплексами. Немаловажным является и существенное снижение требований к инфраструктуре вычислительных систем, для проведения массивных параллельных расчетов достаточно оснащение персонального компьютера соответствующей видеокартой.
Одной из перспективных областей применения графических процессоров является молекулярно-динамическое моделирование. Внутренне присущий этому направлению параллелизм вычислительного процесса находит адекватное отражение в архитектуре видеокарт. В настоящее время существует целый ряд эффективных реализаций ускорения вычислений для сравнительно простых потенциалов межчастичного взаимодействия.
В этой связи можно отметить известные программные комплексы молекулярно- динамического моделирования НООМВ, АМВЕй, 1АММРБ, бКОМАСЯ, 11АМВ., СНАКММ, АСЕМ1э, Оеяпопд., Евргевзо, Го1йпа(а!Но|не. Все они оснащены средствами, позволяющими использовать бР1.1 для ускорения расчетов. Однако предсказательной возможности простых потенциалов зачастую недостаточно для адекватного воспроизведения широкого спектра свойств наносистем, Необходимо использовать многочастичные потенциалы, отражающие реальные свойства межчастичных связей. '3то обусловливает актуальность разработки специальных подходов к программной реализации параллельных алгоритмов на бР~3, адаптированных к специфике таких потенциалов.
При этом большое значение имеет технологичность разработки и модификации программ данного класса, возможность интеграции с имеющимися программными комплексами, визуализация результатов вычислительного эксперимента в реальном времени. Данным вопросам посвящена диссертационная работа, Целью работы является разработка технологии программирования алгоритмов молекулярно-динамического моделирования наноструктур со сложными потенциалами межчастичного взаимодействия на графических процессорах. Для этого необходимо решение следующей гру.ппы задач: ~ Анализ существующих алгоритмов молекулярно-динамического моделирования с позиций поиска оптимального отображения вычислительных процессов на архитектуру графических процессоров.
~ Выработка подходов к размещению данных в памяти видеокарты с целью минимизации числа перекрестных запросов при параллельных вычислениях. ~' Разработка способов наследования классов в технологии СПИ, обеспечивающих возможность оснащения программы новыми потенциалами межчастичного взаимодействия без модификации основного кода. ~ Разработка методов интеграции программного обеспечения с имеющимися программными комплексами динамического моделирования. ~ Разработка методов и средств визуализации результатов вычислительного процесса в реальном времени.
~' Применение разработанной технологии программирования для создания авторского комплекса программ молекулярно- динамического моделирования наносистем. ~' Проведение вычислительных экспериментов, направленных на анализ эффективности вычислительного процесса. ' Разработка подходов к моделированию теплопроводности наноструктур с использованием созданного программного обеспечения. ~' Проведение вычислительных экспериментов по моделированию процессов теплопереноса в наноструктурах. Выявление режимов аномальной теплопроводности.
° ' Разработка методов согласования молекулярно-динамического моделирования и макромасштабного описания процессов аномальной теплопроводности с использованием дробно- дифференциальных уравнений, Научная новизна. Разработаны методы построения программного обеспечения для молекулярно-динамического моделирования наносистем на графических процессорах, включающие методы отображения вычислительных процессов на архитектуру видеокарт, методы размещения данных в памяти видеокарты, способы наследования классов в технологии С~ЗОА, обеспечивающие возможность оснащения программ новыми потенциалами межчастичного взаимодействия без модификации основного кода.
Предложены подходы к повышению эффективности параллельных вычислений на графических процессорах. включающие использование гибридной модели поиска ближних частиц, составление и обновление списка соседних атомов с целью минимизации коллизий памяти, оптимальное распределение операций по вычислительным потокам, выделение дополнительной памяти для создания копий координат взаимодействующих атомов. С использованием созданного по разработанной технологии программного обеспечения исследованы вопросы моделирования теплопроводности углеродных наносистем.
Для описания аномальных режимов теплопроводности разработан подход, основанный на сочетании методов молекулярной динамики и дробно-дифференциального исчисления. Предложен алгоритм определения параметров макроскопической модели по данным молекулярно-динамического моделирования, Таким образом, установлена связь между различными масштабами в описании аномальной теплопроводности. Достоверность и обоснованность результатов, полученных в ходе диссертационного исследования, обеспечивается согласованностью результатов проведенных вычислительных экспериментов с лабораторными измерениями„а также результатами моделирования с использованием других программных комплексов, полученными независимыми друг от друга способами.
Практическая ценность. Представленная в диссертации технология программирования дает возможность повысить эффективность разработки программного обеспечения для моделирования динамических систем на графических процессорах, использовать и расширять уже существующие программные модули, осуществлять интеграцию разрабатываемых программных средств с имеющимися программными комплексами.
Разработанные в диссертации методы и средства математического моделирования имеют высокую значимость с точки зрения перспектив их применения для исследования диффузионных и тепловых процессов в наносистемах. Результаты диссертационного исследования могут быль использованы при составлении образовательных курсов по методам программирования для графических процессоров и математическому моделированию наносистем. Апробации работы.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих российских и международных форумах: ° Ъ'|П Международная конференция по неравновесным процессам в соплах и струях (ХРМ3'2012), 25-31 мая 2010 г., Алушта. АЙ !1-я Международная конференция «Авиация и космонавтика — 2012». ! 3-15 ноября 2012 г., Москва. ° 55-я научная конференция МФТИ, 19-25 ноября 2012г., Долгопрудный. ° ХИ! Международная конференция по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСПСС'2013), 22-31 мая 2013 г., Алушта.
° 15-я Международная конференция «Авиация и космонавтика — 2016», 14-18 ноября 2016 г., Москва, ° 16-я Международная конференция «Авиация и космонавтика — 2017», 20-24 ноября 2017 г., Москва. Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 4 статьи в научных журналах из перечня ВАК РФ для представления основных научных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук.
Список публикаций приведен в конце автореферата. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, глоссария, списка литературы. В работе содержится 20 таблиц, 95 рисунков и 115 библиографических ссылок. Общий объем работы составляет 160 страниц. СОДКРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении диссертационной работы дан краткий обзор применения графических процессоров в научных исследованиях. Отмечены особенности создания программного обеспечения для проведения массивных параллельных вычислений на видеокартах. Приведено обоснование актуальности темы диссертационной работы. сформулированы цели и задачи, отмечена научная новизна, представлены данные по апробации работы и перечислены авторские публикации по теме. В первой главе дано описание задач и методов молекулярно- динамического моделирования.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
