基于 CPU-GPU 异构平台的第一性原理密度泛函理论高性能计算.pdf

1、基于CPU-GPU异构平台的第一性原理密度泛函理论高性能计算胡伟合肥微尺度物质科学国家研究中心中国科学技术大学#page#第一性原理密度泛函理论简介录2CPU-MPI和GPU-CUDA异构并行计算3第一性原理功能材料设计和计算模拟#page#研究领域：理论与计算化学基于第一性原理（量子力学）的理论计算方法不需要任何实验参数，只需要原子结构和一些基本物理常量揭示物质的本质和调控物质的特性设计新型先进功能材料并预测新奇性质人模拟并解释实验新现象，分析本征物理化学机制分子固体材料生物药物D实验应用需求广泛理论计算化学体系错综复杂计算理论催化光谱动力学#page#密度泛函理论A+Vn+Vll+Vclf

2、u）y=cuKohn-Sham方程如何算得更准、更快、更大ClusterAtomParticeElectrodeElectronTimeMacroscopThermodynamicsEquationofmotiorMaxwel/PossionequationConstitutiveequaton固液界面MesoscaleDamicsMolecularDynamcsNewton:F=MaMaterilsLengthHd=Ed生物体系市心Angstrom#page#如何实现大规模密度泛函理论计算？A+Va+Vll+Vxolf)）=Kohn-Sham方程基础前沿交叉：量子力学、理论化学、数值算法、高

3、性能并行计算人第一原理计算对于材料、能源、环境、生物等领域的重要意义如何算得更准、更快、更大？准：第一性原理密度泛函理论传统计算方法线性标度算法实验大：低标度计算（线性标度）快：高性能计算和超级计算机先进功能材料和能源材料理论 计算人高性能计算软件与大数据平台体系尺寸N高性能计算软件超级计算机#page#2单核时代的摩尔定律CPU时钟频率每18个月翻一番CPU制造工艺逐渐接近物理极限功耗和发热成为巨大的障碍Pentium Tejas1000STOF10004740O0878福#page#2GPU vs CPU设计重心转向到多核异构的集成技术GPU是一种特殊的多核处理器更强的浮点计算能力、存储器

4、带宽Peak Doublc Precision Flops (GFlops）Peak Memory Bandwidth （GB/s）diacpuvida cPU1000A100A10000060）V100400P1000K202000M2090106M10620122014022016010201400#page#2CPU-GPU异构平台CPU：Latency-Oriented更多资源用于缓存和逻辑控制GPU：HighThroughput-Oriented更多资源用于计算，适用于高并行性、大规模数据密集型、可预测的计算模式CPU-GPU异构平台：结合两者优势加速第一性原理计算ALLALUAUA

5、LU0中5DRAMCPU28DRAMdatafrom https:/ Studio用户代号1.2%口共店公”第一性原理计算材料模拟占主导地位瓶颈：VASPP排名第一，模拟数百原子体系，小规模干核并行计算#page#2开发第一性原理高性能计算软件10010,000基组/电子平面波基组完备基组，周期性（PWDFT，VASPQuantumEsspresso，ABINIT）原子基组1100基组/电子局域基组（HONPAS，ABACUS，SIESTA，Gaussian，FHl-aims）自适应局域基组（ALB）1100基组/电子正交局域完备基组，考虑到复杂化学环境的影响人PWDFT： Plane-Wav

6、e Density Functional TheoryHONPAS: Hefei Order-N Packages for Ab initio SimulationsDGDFT: Discontinuous Galerkin Method for Density Functional TheoryLin Lin, Jianfeng Lu Lexing Ying， and Weinan E,J.Comput. Phys.231，2140 （2012）WeiHuLin Lin，and Chao Yang,J.Chem. Phys.143,124110（2015）Wei Hu Lin Lin.and