Development of a Large-Scale Molecular Dynamics Framework and Application to Complex Fluids

大规模分子动力学框架的开发及其在复杂流体中的应用

基本信息

批准号：
21K11923
负责人：
渡辺宙志
金额：
$ 2.41万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

分子動力学法は原子レベルで物質の挙動を観察できる一方、計算コストが大きく、大きな系を計算するためには並列化が必須である。この時、短距離相互作用系であれば領域分割による並列化が主要な方法となるが、系が非一様である場合、ロードインバランスが問題となるため、ロードバランサーの性能が重要となる。従来使われてきたロードバランサーは中央処理型であり、性能は良好であるものの、全情報を中央ノードに集める必要があることから、1ノードの主記憶容量が計算規模を決めてしまう。そこで、分散処理型のロードバランサーが必要となる。今年度は、分散処理型ロードバランサーとして新しくSkew Boundary (SB)法を開発し、既存の中央処理型と分散処理型のロードバランサーの性能比較を行った。中央処理型のロードバランサとして各軸毎に座標をソートして領域分割を行うGlobal Sort法、再帰的に領域を分割するRecursive Coordinate Bisectioning法を採用し、分散処理型としては単純な一次元分割(1D)、ボロノイ分割、そして新たに提案したSB法を採用、実装した。実際に分子動力学シミュレーションコードにロードバランサーを搭載し、その性能を検証したところ、分散処理型は中央処理型に比べて遜色ない性能を示した。一方で、SB法はロードバランシングが収束しきらないうちに次のステップに進んでしまう、ボロノイ法はロードバランシングのアルゴリズムそのものの実行時間が長い、などの特徴が見られた。SB法はロードバランシングにかかるコスト、通信時間などが安定していたが、他の反復アルゴリズムに比べて収束がやや遅い傾向にあり、今後は収束を早める工夫が必要となる。

虽然分子动力学方法可以在原子水平上观察材料的行为，但它们的计算成本很高，并且需要并行化来计算大型系统。这时，如果系统是短程交互系统，通过域划分的并行化是主要方法，但如果系统是非均匀的，负载不平衡就成为问题，所以负载均衡器的性能就变得重要了。传统使用的负载均衡器是中央处理型的，具有良好的性能，但由于所有信息需要收集在一个中心节点，计算规模由单个节点的主存容量决定。因此，需要一个分布式处理负载均衡器。今年，我们开发了一种新的倾斜边界（SB）方法作为分布式处理负载均衡器，并比较了现有中央处理类型和分布式处理类型负载均衡器的性能。作为中央处理型负载均衡器，我们采用了通过对每个轴的坐标进行排序来划分区域的全局排序方法、以及递归地划分区域的递归坐标二分法（1D）、Voronoi分区以及新提出的方法。采用SB方法并实施。当我们在分子动力学模拟代码中实际安装负载平衡器并验证其性能时，分布式处理类型表现出与中央处理类型相当的性能。另一方面，SB方法具有一些特点，例如在负载均衡收敛之前就进行下一步，而Voronoi方法的负载均衡算法本身的执行时间较长。 SB方法具有稳定的负载均衡成本和通信时间，但收敛速度往往比其他迭代算法慢一些，未来需要努力加快收敛速度。