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中國科大首次實現千萬核并行第一性原理計算模擬
2020-07-03 中國科學報

基于“神威-太湖之光”再突破:

中國科大首次實現千萬核并行第一性原理計算模擬

  近日,中國科學技術大學(以下簡稱中國科大)針對大尺度數萬原子分子固體體系的第一性原理計算模擬,以低標度平面波高精度計算軟件DGDFT為基礎,在國產“神威·太湖之光”超級計算機上實現了千萬核超大規模并行計算,研究成果以“High performance computing of DGDFT for tens of thousands of atoms using millions of cores on Sunway TaihuLight”為題在線發表于Science Bulletin(《科學通報》英文版)。

  這項成果由合肥微尺度物質科學國家研究中心、中國科大化學與材料科學學院教授楊金龍課題組,與計算機科學與技術學院教授安虹課題組聯合攻關,在國家超級計算無錫中心和中國科學院軟件研究所研究人員的緊密配合下完成。

  DGDFT方法是利用自洽場(SCF)迭代過程中動態生成的自適應局域基函數(ALB)來求解KS方程,具有可媲美平面波基組的高精度計算結果。安虹告訴《中國科學報》,該項成果的算法實現采用了兩級并行化策略,用于處理并行計算中各種類型的數據分布、任務調度和數據通信方案等;同時結合申威SW26010眾核處理器特點,實現了主從核多線程異構并行和高性能計算函數庫,在“神威-太湖之光”上完成了超大規模高性能DFT計算模擬。

  計算結果表明,DGDFT方法可以在“神威-太湖之光”超級計算機上并行擴展到8519680個計算處理核(131072個核組),能夠用于研究含有數萬碳原子(11520碳原子)的二維金屬石墨烯體系的電子結構性質。

  安虹表示,超級計算機和高性能計算技術的快速發展,使得基于KS方程密度泛函理論(KS-DFT)的第一性原理計算模擬在凝聚態物理、材料科學、化學和生物等研究領域變得越來越重要。

  “發展國產科學與工程計算軟件時不我待?!卑埠鐚τ浾弑硎?,自2010來以來,中國擁有了3臺世界上計算速度最快的超級計算機,其中“神威-太湖之光”曾4次占據世界超級計算機TOP500排行榜第一,但國內第一性原理高性能計算軟件卻遠遠落后于超算硬件的發展。因此,隨著國產超級計算機的快速發展,很有必要發展相應的理論算法和超大規模并行計算軟件,從而充分發揮出這些超級計算機強大的計算能力,模擬研究更大尺度的物理化學問題。

  談及此次成果的創新性,安虹介紹說,此次通過超算應用團隊、軟件移植和性能優化團隊、基礎算法庫開發團隊以及國家超算中心硬件技術支持團隊的緊密合作,實現了國內理論與計算化學的低標度理論算法與國產高性能并行計算軟硬件優勢的結合,充分發揮了“神威-太湖之光”超級計算機的強大計算能力。同時,開發了低標度、低通訊、低內存、低訪存的并行計算方法,實現了具有平面波精度的千萬核超大規模高性能并行計算,使模擬體系的大?。〝等f原子)比國際同等平面波精度的計算模擬軟件提高了數百倍。

  “這一成果說明,借助當代最先進的計算方法和世界頂級高性能計算平臺,大體系、長時間的高精度第一性原理材料模擬已成為現實?!卑埠缯f。

  相關論文信息:10.1016/j.scib.2020.06.025

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