田 卓,陈一峯

(北京大学 信息科学与技术学院,北京 100 871)

分子动力学模拟是考察系统随时间演化的行为[1,2].在一定时间内,靠计算机模拟分子和原子体系运动,广泛应用于物理、化学、生物等领域.用分子动力学模拟微观生物现象如蛋白质折叠[3,4]所需时间尺度为毫秒,为捕获原子震荡现象,每个迭代步设为1fs~2.5fs,模拟总时长若为毫秒,需要1012个迭代步.相邻两个迭代步间具有相关性,需要一次通信,而频繁通信成为此类问题计算性能的主要瓶颈.

时间演化类问题从时间轴来模拟体系演化.时间被离散化为一定步长为间隔的时间点,下一个时间点的状态依赖上一个时间点的状态,两个状态之间需要一次通信以交换数据.典型的应用是分子动力学模拟[5,6],分子沿着这些时间点运动,每个时间点对应分子的一个状态.分子在t时刻的状态用向量X(t)表示,记录t时刻所有粒子的位置,速度等状态信息.t+1 时刻的状态X(t+1)由t时刻状态X(t)演算而来,即X(t+1)=f(X(t)).因而,不同时刻粒子状态间的关系是相互依赖的,需要通信.而神威上的通信延迟较长[7],包括网卡上的通信延迟以及较长的数据通路所带来的通信延迟都太长了.此类计算模式的时间演化类程序在高延迟的神威集群上如何优化,规避通信延迟,提高性能,是本文的宗旨.

神威太湖之光超级计算机以理论峰值125.4PFLOPS/s 位居世界第一,其SW26010 处理器是针对神威定制的多核处理器,每个处理器由4 个核组组成,每个核组包含1 个主核……