Министерство образования и науки Российской Федерации

Московский физико-технический институт

(государственный университет)
УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной

работе

Ю. А. Самарский

«___» 2011 г.

ПРОГРАММА
по курсу: СУПЕРКОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В АТОМИСТИЧЕСКОМ МОДЕЛИРОВАНИИ

по направлению: 511600

факультеты: ФРТК, ФОПФ, ФАКИ, ФМБФ, ФФКЭ, ФУПМ, ФПФЭ

кафедра: ИНФОРМАТИКИ

курс: 4

семестры: 7 Зачет дифф.

лекции: 34 часа
ВСЕГО ЧАСОВ: 34
Программу составил: доц., к.ф.-м.н. Морозов И.В.
Программа обсуждена на заседании

кафедры информатики

«____»_____________2011г.

Заведующий кафедрой

профессор И.Б. Петров

Введение (2 часа)

Зачем нужны суперкомпьютеры? Физические задачи, требующие больших вычислений. Обзор высокопроизводительных систем в России и за рубежом. Обсуждение последних редакций рейтингов Top-500 и Top-50. Качественный переход от последовательных к массивно-параллельным архитектурам и алгоритмам. Путь к Exaflop/s: вызовы и возможности. Обзор специализированных вычислительных устройств: графические ускорители, ПЛИС. Методы классической молекулярной динамики (МД) и Монте-Карло (МК): история, область применения, преимущества и недостатки. Положение методов МД и МК среди других вычислительных методов, многомасштабный подход. Примеры актуальных задач физики конденсированого вещества и неидеальной плазмы с демонстрацией результатов МД моделирования.

Параллельные алгоритмы для систем с общей памятью (4 часа)

Классификация вычислительных систем. Реализация многозадачности в современных ОС. Процессы и потоки. Создание многопоточных приложений. Объекты синхронизации потоков: критическая секция, взаимное исключение, семафор, событие. Тупики (deadlocks). Проблемы недостаточной и избыточной синхронизации. Распараллеливание с использованием OpenMP, OpenCL и других технологий. Параллелизм по задачам и по данным. Методы распараллеливания циклов. Отладка параллельных приложений.

Параллельные алгоритмы для систем с распределенной памятью (4 часа)

Кластеры типа Beowulf. Особенности параллельных алгоритмов на основе передачи сообщений. Стандарт MPI, компиляция и запуск программ с использованием пакетов MPICH, LAM MPI, OpenMP. Основные функции стандартов MPI-1 и MPI-2. Оптимизация обмена сообщениями между процессами. Односторонние коммуникации в библиотеках MPI и SHMEM. Примеры алгоритмов. Отладка MPI-приложений.

Теоретические основы параллельных алгоритмов
(2 часа)

Теория функциональных устройств. Понятия загруженности, производительности и ускорения. Эффективность распараллеливания, законы Амдала. Информационная зависимость операций, графы исполнения. Параллельная форма алгоритма.

Использование графических ускорителей (GPU) (4 часа)

Применение GPU для вычислений, не связанных с обработкой графических изображений. Архитектура GPU, выпускаемых ведущими производителями. Ключевое значение параллелизма по данным. Организация памяти и избежание задержек, связанных с обращением к памяти. Средства разработки программ для GPU. Кластеры на основе гибридных систем, включающих GPU. Примеры программ.

Введение в Grid- и Cloud- технологии (4 часа)

Метакомпьютинг. Понятие Grid. Виртуализация ресурсов. Основные требования к распределенным системам. Обзор современных технологий (GLOBUS, UNICORE и др.) и развитых Grid-сегментов (EGEE, NorduGrid, DEISA, российские Grid-сегменты). Иерархия сервисов Grid. Развитие пакета Globus и предоставляемые им базовые сервисы. Безопасность и аутентификация. Диспетчеризация заданий на Grid (resource brokers). Облачные технологии (Cloud computing) и их применение для научных расчетов.

Основы метода молекулярной динамики

(2 часа)

Решение уравнений движения частиц. Ошибки интегрирования и ошибки округления. Точность сохранения энергии в МД системе. Выбор оптимального шага по времени. Начальные и граничные условия при интегрировании уравнений движения. Метод ближайшего образа. Применение термостатов и баростатов.
Модели взаимодействия частиц (4 часа)

Иерархия потенциалов взаимодействия для различной степени детализации моделируемой системы. Модели взаимодействия нейтральных атомов и молекул: потенциалы Леннарда-Джонса, Бэкингема, Ми, Морзе. Моделирование макромолекул и полимеров. Многочастичные потенциалы для металлов, полупроводников и диэлектриков. Взаимодействие электронов и ионов, моделирование неидеальной плазмы.

Оптимизация и распараллеливание расчета взаимодействия частиц
(2 часа)

Списки Верле. Связанные списки частиц в ячейках. Параллельные алгоритмы: декомпозиция по частицам и по пространству. Эффективность распараллеливания. Оптимизация для дальнодействующих потенциалов. Схема Эвальда. Алгоритм TreeMD для кулоновского взаимодействия.

Метод Монте-Карло для моделирования систем многих частиц
(2 часа)

История и обоснование метода. Алгоритм Метрополиса. Выбор амплитуды случайных источников. Примеры расчетов. Оптимизация алгоритма, Smart Monte-Carlo. Расчет термодинамических параметров и корреляционных функций. Бинарная корреляционная функция.

Стохастические свойства динамических систем, моделирование релаксационных процессов
(2 часа)

Экспоненциальная расходимость траекторий в динамических системах. Показатель Ляпунова. Время динамической памяти. Влияние точности численной схемы на перемешивание траекторий. Статистический характер результатов МД и МК моделирования. Создание ансамбля начальных состояний для моделирования релаксационных процессов. Метастабильные состояния и фазовые переходы. Статистические методы исследования метастабильных систем. Возможности распараллеливания.

Комбинированные методы, основанные на МД.
(2 часа)

Метод частиц в ячейке (Particle-in-cell). Учет квантово-механических эффектов взаимодействия частиц. Квантовая молекулярная динамика. Алгоритмы, основанные, на методе функционала плотности. Молекулярная динамика с волновыми пакетами. Обзор современных пакетов МД моделирования.

РЕКОМЕНДОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. 
   Карпов В.Е., Коньков К.А. Основы операционных систем. М.: Интуит, 2004.
   
2. 
   Воеводин В.В., Воеводин Вл.В. Параллельные вычисления. М.: БХВ-Санкт-Петербург, 2004.
   
3. 
   Богачёв К.Ю. Основы параллельного программирования, М: Бином, 2003.
   
4. 
   Сайт Лаборатории параллельных информационных технологий НИВЦ МГУ http://parallel.ru
   
5. 
   Официальная документация и учебные пособия по OpenMP: http://www.openmp.org, http://www.llnl.gov/computing/tutorials/openMP
   
6. 
   Адинец А.В., Сахарных Н.А. О системе программирования вычислений общего назначения на графических процессорах // на сайте http://www.parallel.ru/info/VVV
   
7. 
   J. A. Anderson, C. D. Lorenz, A. Travesset General purpose molecular dynamics simulations fully implemented on graphics processing units.// Journal of Computational Physics. 2008. 227
   
8. 
   Официальная документация и учебные пособия по MPI: http://www.mcs.anl.gov/mpi, http://www.lam-mpi.org
   
9. 
   Forster I., Kesselman C. (eds). The Grid: Blueprint for a new computing infrastructure. San Francisco: Morgan Kaufman, 1999.
   
10. 
    Интернет-портал по Грид технологиям http://www.gridclub.ru
    
11. 
    Официальный сайт Nordugrid : http://www.nordugrid.org
    
12. 
    Официальный сайт проекта RDIG : http://ca.grid.kiae.ru/RDIG
    
13. 
    Allen M.P., Tildesley D.J. Computer Simulation of Liquids. Oxford : Clarendon Press, 1989.
    
14. 
    Frenkel D., Smit B. Understanding Molecular Simulation: From Algorithms to Applications. San Diego: Academic Press, 2002.
    
15. 
    Валуев А.А., Норман Г.Э., Подлипчук В.Ю., Метод молекулярной динамики: теория и приложения. В сб. «Математическое моделирование. Физико-химические свойства вещества». М.: Наука, 1989. С. 5-40.
    
16. 
    Замалин В.М., Норман Г.Э., Филинов В.С. Метод Монте-Карло в статистической термодинамике. Москва: Наука, 1977.
    
17. 
    Кривцов А.М., Кривцова Н.В., Метод частиц и его использование в механике деформируемого твердого тела. Дальневосточный математический журнал ДВО РАН, 2002, Т. 3, N 2, с. 254-276.
    
18. 
    Rahman A. Correlations in the Motion fo Atoms in Liquid Argon. Phys. Rev., v. 136, pp. A405-411, 1964.
    
19. 
    Verlet L. Computer "Experiments" on Classical Fluids. Phys. Rev., v. 159, pp. 98-103, 1967; v. 165, pp. 201-214, 1968; Phys. Rev A., v. 2, pp. 2514-2528, 1970; v. 7, pp. 1690-1700, 1973.
    
20. 
    Sutmann G., Classical molecular dynamics. In: Quantum Simulations of Complex Many-Body Systems: From Theory to Algorithms (eds. J. Grotendorst, et al), Julich: NIC, Vol. 10, pp. 211-254, 2002.