摘要：本文基于傳統(tǒng)的分子動力學(xué)模擬方法和高性能計算平臺的資源情況，提出了用并行構(gòu)件技術(shù)解決分子動力學(xué)模擬軟件開發(fā)的方法，使用高級語言編寫分子動力學(xué)模擬軟件的并行構(gòu)件，提高了模擬軟件的開發(fā)效率和運行性能。

關(guān)鍵詞：并行構(gòu)件；并行計算；分子動力學(xué)模擬；性能優(yōu)化

中圖分類號：TP319 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）01-0185-02

1 分子動力學(xué)模擬簡介

為了在原子級別對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)進行研究，往往需要使用計算機進行分子動力學(xué)模擬[1]。然而，傳統(tǒng)的分子動力學(xué)模擬方法，往往涉及到大量的原子之間作用力的交互，而且模擬的步驟也十分復(fù)雜，這就給計算機進行的分子動力學(xué)模擬帶來了較大的計算工作。但是，目前已有的分子動力學(xué)模擬軟件[1]進行模擬的對象具有特定的針對性。面對這種情況，如何能在提高分子動力學(xué)模擬軟件的可用性和求解的精度之間找到恰當(dāng)?shù)钠胶?，既能夠使研究者能夠簡單方便的使用計算機軟件進行分子動力學(xué)模擬，同時也能夠針對不同的模擬體系和要研究的性質(zhì)和現(xiàn)象，選用不同的計算機模擬方法，提高模擬的精確度，得到最準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，成為影響使用計算機進行分子動力學(xué)模擬技術(shù)發(fā)展的重要問題。

2 分子動力學(xué)模擬中應(yīng)用構(gòu)件技術(shù)的優(yōu)勢

本文作者針對使用計算機進行分子動力學(xué)模擬的軟件系統(tǒng)一般都由多種計算模型，比如使用數(shù)據(jù)并行模型對要模擬的粒子進行分組，或使用任務(wù)并行模型對要模擬的空間進行劃分，串行計算粒子受力情況和位移的情況兩個模塊，提出了新的多計算模型，多粒度的并行分子動力學(xué)模擬軟件的軟件體系結(jié)構(gòu)。建立了分子動力學(xué)模擬軟件的并行構(gòu)件體系結(jié)構(gòu)規(guī)范，支持使用高級語言編寫分子動力學(xué)模擬軟件的并行構(gòu)件，方便用戶根據(jù)不同的需要選用不同的并行構(gòu)件進行簡單的組裝，實現(xiàn)自己所需要的分子動力學(xué)模擬軟件，減輕分子動力學(xué)模擬軟件編寫人員的編程負擔(dān)。在此基礎(chǔ)上，針對異構(gòu)的并行構(gòu)件執(zhí)行的硬件平臺，可根據(jù)并行構(gòu)件本身的計算模型和粒度，合理地部署不同的并行構(gòu)件到不同的硬件資源上執(zhí)行，進一步提高分子動力學(xué)模擬并行構(gòu)件程序的運行性能。

3 計算模型分析與運行平臺資源管理

和普通串行構(gòu)件技術(shù)一樣，并行構(gòu)件技術(shù)最大的優(yōu)勢就是將一定的計算功能包含在一個模塊當(dāng)中[2]，模塊的使用者并不需了解這個功能模塊的內(nèi)部細節(jié)，而只通過構(gòu)件對外提供的接口來連接不同的構(gòu)件，實現(xiàn)自己所需要的軟件功能。這種組合方式提高了并行構(gòu)件的復(fù)用性，用戶需要哪個計算功能，不需要自己使用編程語言編程實現(xiàn)，只要選用已經(jīng)制作好的提供該功能的并行構(gòu)件即可，提供了軟件的生產(chǎn)率，減輕了軟件編程人員的負擔(dān)。同時由于同一功能可以有不同的具體實現(xiàn)，這些實現(xiàn)細節(jié)被包含在不同的并行構(gòu)件內(nèi)部，從外部來看，這些并行構(gòu)件提供的是相同的接口，實現(xiàn)的是同一個功能，為了更好地利用這些并行構(gòu)件，本文作者設(shè)計了并行構(gòu)件的自描述功能，包括對并行構(gòu)件使用的計算模型和計算粒度的描述，對實現(xiàn)同一功能所使用的算法的描述，以及并行構(gòu)件所使用的編程語言等等，在這些自描述信息的指導(dǎo)下，用戶可以更有針對性地選擇實現(xiàn)自己所需要的功能，同時和其他并行構(gòu)件有著較簡單高效的連接機制，同時在特定的硬件平臺上有更高性能的并行構(gòu)件實現(xiàn)。同時，由于不同的并行構(gòu)件可能采用了不同的計算模型和計算粒度，它們之間的連接情況往往比較復(fù)雜，比如一個采用了三個進程進行計算的并行構(gòu)件要和一個使用兩個進程的并行構(gòu)件進行連接時，必須要使用特定的連接機制，比如連接子等對這兩個并行構(gòu)件之間的數(shù)據(jù)交互進行轉(zhuǎn)換，在有些資料里這種做法被稱為“M×N”轉(zhuǎn)換。本文作者對分子動力學(xué)模擬軟件的并行構(gòu)件所使用的連接子進行了研究，對于不同的分子動力學(xué)模擬軟件的并行構(gòu)件，應(yīng)該使用什么樣的連接機制才能夠在滿足用戶的功能需求的基礎(chǔ)上，進一步提高分子動力學(xué)模擬并行構(gòu)件程序的執(zhí)行性能。由于分子動力學(xué)模擬軟件本身的結(jié)構(gòu)特點，考慮以下一些因素，需要模擬的粒子本身的物理特點，所選用的力場特點，邊界范圍和初始條件。而由于并行構(gòu)件內(nèi)部的具體實現(xiàn)特點，需要考慮以下因素，并行構(gòu)件內(nèi)部所使用的計算模型，計算粒度和具體的實現(xiàn)算法等。為此，本文作者研究針對分子動力學(xué)模擬的科學(xué)計算系統(tǒng)的實際需求，將計算模型，并行構(gòu)件模型和分子動力學(xué)模擬軟件的自身特點相結(jié)合，實現(xiàn)了不同的分子動力學(xué)模擬軟件的并行構(gòu)件之間的交互，尤其是不同的編程語言，不同的計算模型或不同的計算粒度的并行構(gòu)件之間的交互機制，并在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了不同的分子動力學(xué)模擬并行構(gòu)件的生成，連接和調(diào)用機制，實現(xiàn)了一個分子動力學(xué)模擬程序的并行構(gòu)件運行框架，進一步完善并行構(gòu)件之間的交互機制。本文作者針對常用分子動力學(xué)模擬程序的功能模塊由多種計算模型和計算粒度組成的特點，提出適用于分子動力學(xué)模擬的并行構(gòu)件體系結(jié)構(gòu)，建立了適合于分子動力學(xué)模擬的并行構(gòu)件規(guī)范，設(shè)計實現(xiàn)了適合分子動力學(xué)模擬的并行構(gòu)件運行框架，提出對這類并行構(gòu)件的描述語言，提供對使用高級編程語言編寫這類并行構(gòu)件的支持。在此基礎(chǔ)上，本文作者考察了提高并行分子動力學(xué)模擬軟件開發(fā)效率的新方法，包括：并行構(gòu)件接口的描述和表達，并行構(gòu)件自描述信息的的表示，計算模型和部署平臺硬件資源的關(guān)系[3]，并行構(gòu)件的管理和運行，構(gòu)件自描述信息和硬件平臺計算資源自適應(yīng)匹配，并行構(gòu)件之間的通信，并行構(gòu)件的運行框架，分子動力學(xué)模擬并行構(gòu)件程序的建模，性能估算，并行構(gòu)件程序的測試等。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了能夠支持分子動力學(xué)模擬并行構(gòu)件程序的運行框架和建模工具，結(jié)合分子動力學(xué)模擬軟件的并行構(gòu)件化過程，研究面向偏微分方程求解的并行構(gòu)件技術(shù)，提高了分子動力學(xué)模擬軟件系統(tǒng)的開發(fā)效率。

4 結(jié)語

提高開發(fā)大規(guī)模并行軟件的開發(fā)效率能給石油，航天等眾多關(guān)系國計民生的重要科研領(lǐng)域提供巨大的幫助。同時由于并行構(gòu)件具有較高的復(fù)用性，能夠提高這些并行軟件的可靠性，提供較好的可擴展性支持，同時也便于對這些軟件進行維護和更新。從軟件開發(fā)的實際情況來看，一方面，大規(guī)模并行計算軟件需要對多物理量進行耦合，涉及到數(shù)量巨大的模塊之間的交互，導(dǎo)致這些軟件的開發(fā)比較困難，往往一個應(yīng)用程序就需要數(shù)年的時間。本文提出的方法，加速了分子動力學(xué)模擬軟件的開發(fā)效率，提高了這些軟件的運行性能，為相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究提供了支持。

參考文獻

[1]江蓉君，羅健輝，白瑞兵，等.多元體系油水界面上常見表面活性劑行為的分動力學(xué)模擬[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報，2017，10：1804-1812.

[2]彭云峰，魏勝利.擴展OpenMP支持CCA并行構(gòu)件及其性能優(yōu)化[J].小型微型計算機系統(tǒng)，2014，35：2034-2038.

[3]潘佳藝，王芳，楊靜怡，等.異構(gòu)Hadoop集群下的負載自適應(yīng)反饋調(diào)度策略[J].計算機工程與科學(xué)，2017，3：413-423.