ABEEMσπ模型生物大分子电荷分布并行处理的研究

摘要

近年来随着计算机技术的飞速发展，分子动力学模拟已经成为生物大分子理论研究的一种十分重要的工具，大量用于研究生物分子及其复合体的结构、动力学和热力学过程。对于大分子体系而言电荷分布在很大程度上影响着模拟的结果，发展一种计算量较小且有较高精度的电荷分布方法尤为重要。原子.键电负性均衡方法中的σπ模型(ABEEMσπ)是近年来发展的一种准确快速地计算大分子体系电荷分布的方法，对于应用到大分子体系电荷分布的计算有很大的优越性和精确度，已经引起了一定的关注并为大家所接受。但是，随着分子体系规模的增大，利用ABEEMσπ模型电荷分布串行程序计算电荷分布的时间越来越长。为了扩大ABEEMσπ模型电荷分布计算的分子体系规模，并且提高计算速度，本文针对ABEEMσπ模型电荷分布计算并行处理技术进行了细致的研究，主要内容包括：
　　 1.通过分析ABEEMσπ模型电荷分布计算的串行处理流程，给出优化方案，减少冗余代码；采用动态存储技术缩短全局数组和局部数组的生存周期，节省了内存空间。
　　 2.在优化后的ABEEMσπ电荷分布计算串行程序基础上设计了ABEEMσπ电荷分布计算并行方案，成功实现了其并行化，突破了原有串行软件求解模型规模较小的限制。
　　 3.根据ABEEMσπ电荷分布计算方法的特点，提出并比较了两种并行任务划分方案，其中块卷帘划分方案，采用多行矩阵循环分配到各处理器上，减少了通信次数，降低了通信开销，在求解大模型电荷分布时取得较高的并行加速比。
　　 4.对ABEEMσπ电荷分布并行程序中的cholesky分解并行算法进行了通信优化，采用全局通信方式减少应用层通信时间，使得优化后的ABEEMσπ模型电荷分布计算并行程序并行性能得到进一步的提高。
　　 5.实现了大模型生物大分子电荷分布计算的并行求解，解决了位点数达5万多的实际电荷分布计算问题，并获得了较高的加速比和并行效率。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

1引言

1.1分子动力学模拟

1.2并行处理

1.3本文内容

2电荷分布模型与并行处理

2.1电荷分布模型

2.1.1理论模型

2.1.2常用软件包

2.2并行处理技术

2.2.1并行体系结构

2.2.2并行软件环境

2.2.3并行算法

3 ABEEMσπ模型电荷分布计算并行处理

3.1 ABEEMσπ模型理论

3.2串行处理

3.2.1处理流程

3.2.2问题与改造

3.3并行处理

4并行任务划分策略

4.1任务划分对并行性能的影响

4.2划分策略

4.2.1并行方案1及其实现

4.2.2并行方案2及其实现

4.3方案对比

4.3.1通信开销分析

4.3.2并行性能测试

5通信性能分析及优化

5.1通信对并行性能的影响

5.1.1通信开销对并行性能的影响

5.1.2影响通信性能的因素分析

5.2通信优化

5.2.1矩阵A分解并行算法通信优化

5.2.2回代求解x并行算法通信优化

6模型计算与应用

6.1应用情况

6.2实际模型计算

6.2.1模型说明

6.2.2计算结果

7总结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文和参与的科研项目