基于MPI-TBB的LAMMPS并行算法研究的開題報(bào)告

基于MPI-TBB的LAMMPS并行算法研究的開題報(bào)告一、選題背景及意義分子動(dòng)力學(xué)（MolecularDynamics,MD）是一種非常重要的計(jì)算物理學(xué)方法，它能夠模擬物質(zhì)間的粒子間相互作用，以及它們的動(dòng)量和位移變化。LAMMPS（Large-scaleAtomic/MolecularMassivelyParallelSimulator）是MD領(lǐng)域廣泛使用的計(jì)算軟件，它支持非常多的粒子間相互作用模型，可以用于研究各種材料的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，對(duì)于大規(guī)模計(jì)算系統(tǒng)，要想提高模擬效率和準(zhǔn)確性，必須將模擬并行化，常用的方法包括共享內(nèi)存和分布式內(nèi)存并行。MPI-TBB是一種基于消息傳遞接口（MPI）和線程構(gòu)建塊（TBB）的并行編程模型，能夠充分利用多核處理器的優(yōu)勢(shì)，提高并行化效率。將MPI-TBB應(yīng)用于LAMMPS并行化中，將能夠大大提高LAMMPS的計(jì)算速度和可擴(kuò)展性。因此，本課題旨在研究基于MPI-TBB的LAMMPS并行算法，探究其在大規(guī)模計(jì)算中的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上提出優(yōu)化策略，以提高LAMMPS計(jì)算效率和可擴(kuò)展性。二、研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)本課題研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：1.MPI-TBB并行編程模型的介紹：包括MPI和TBB的基本概念和原理，以及如何將它們結(jié)合起來構(gòu)建MPI-TBB模型。2.LAMMPS的并行算法：包括LAMMPS的并行域分解算法、并行通訊算法和并行計(jì)算操作等。3.MPI-TBB在LAMMPS并行化中的應(yīng)用：將MPI-TBB并行編程模型應(yīng)用于LAMMPS并行化中，以提高其計(jì)算效率和可擴(kuò)展性。4.優(yōu)化策略的研究：在MPI-TBB并行模型的基礎(chǔ)上，研究LAMMPS的計(jì)算瓶頸問題，提出優(yōu)化策略以提高計(jì)算效率和可擴(kuò)展性。本課題的主要目標(biāo)是：1.研究MPI-TBB并行編程模型的特點(diǎn)和應(yīng)用方法，理解MPI-TBB與LAMMPS的配合方式和優(yōu)化策略。2.實(shí)現(xiàn)基于MPI-TBB的LAMMPS并行化程序，并進(jìn)行性能測(cè)試和優(yōu)化。3.提出一些優(yōu)化策略，如異步通訊、負(fù)載均衡等，以提高LAMMPS的計(jì)算效率和可擴(kuò)展性。三、研究方法和技術(shù)路線1.理論研究：對(duì)MPI和TBB的原理和基本概念進(jìn)行深入學(xué)習(xí)和理解，并結(jié)合LAMMPS的并行算法進(jìn)行理論研究和分析，為編寫程序提供理論基礎(chǔ)。2.并行編程：使用C++編寫基于MPI-TBB的LAMMPS并行程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行計(jì)算和通訊操作。3.性能測(cè)試：對(duì)程序進(jìn)行性能測(cè)試和評(píng)估，包括運(yùn)行時(shí)間、計(jì)算速度、加速比和可擴(kuò)展性等指標(biāo)的測(cè)試和分析。4.優(yōu)化策略：對(duì)程序進(jìn)行深入分析，找出運(yùn)算瓶頸，并提出相應(yīng)的優(yōu)化策略，如異步通訊、負(fù)載均衡等。技術(shù)路線如下：（1）學(xué)習(xí)MPI和TBB的基本概念和原理，掌握MPI-TBB模型的編程方法。（2）學(xué)習(xí)LAMMPS的并行算法，理解LAMMPS的數(shù)據(jù)并行化和通訊操作等。（3）編寫基于MPI-TBB的LAMMPS并行程序，進(jìn)行性能測(cè)試和評(píng)估。（4）分析程序的運(yùn)算瓶頸，提出優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)程序的優(yōu)化和測(cè)試。（5）總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和成果，撰寫畢業(yè)論文。四、期望結(jié)果和創(chuàng)新點(diǎn)1.成功實(shí)現(xiàn)基于MPI-TBB的LAMMPS并行計(jì)算程序，對(duì)比LAMMPS串行程序和MPI并行程序的性能表現(xiàn)，并給出優(yōu)化策略。2.在MPI并行模型的基礎(chǔ)上，探究MPI-TBB模型的計(jì)算效率和可擴(kuò)展性，并提高LAMMPS并行模型的效率和準(zhǔn)確性。3.在分子動(dòng)力學(xué)的領(lǐng)域中，提供一個(gè)基