Molecular dynamics simulation in hybrid systems

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Silva, João Tiago Araújo da
Data de Publicação: 2016
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/1822/47836
Resumo: Dissertação da mestrado em Engenharia Informática (área de especialização em Informática)
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spelling Molecular dynamics simulation in hybrid systemsSimulação de dinâmica molecular em ambientes híbridosEngenharia e Tecnologia::Engenharia Eletrotécnica, Eletrónica e InformáticaDissertação da mestrado em Engenharia Informática (área de especialização em Informática)The molecular dynamics simulation is a topic fairly investigated because it solves countless problems of physics, chemistry, or biology. From the computer engineering point of view it is an interesting case study because it is a computationally complex problem. The complexity arises when there are a high number of particles, thereby resulting in a high number of iterations to compute on each iteration. Presently there are systems with millions of particles that need to be simulated in the shortest time possible. This led to the development of molecular dynamics packages that attempt to use all the resources available to improve the execution of simulations. The main goal of this thesis is to run efficiently molecular dynamics simulations on hybrid systems. Instead of starting a molecular dynamics implementation from scratch, it was used the MOIL package. Then it was developed an implementation based on MOIL with optimizations that allow the code to be automatically vectorized by the compiler. These optimizations focused on the calculation of forces and the data structures. New data structures were introduced to decompose the simulation domain into cells. The vectorization was used both in sequential and parallel implementations. In both cases, vectorization allowed a higher performance when used with cells. In order to achieve the best possible performance, the optimized code has been parallelized using different strategies, including shared memory, distributed memory, and a hybrid solution. In the execution of the parallel code several combinations of processes and threads were tested. Among all the developed versions, the one that achieved the best performance was the hybrid version. All implementations were compared to Gromacs, the reference in terms of performance of the molecular dynamics simulation.A simulação de dinâmica molecular é um tema bastante investigado porque permite resolver inúmeros problemas da física, química, ou biologia. Do ponto de vista da engenharia informática é um caso de estudo interessante por ser um problema computacionalmente complexo. A complexidade surge quando se utiliza um elevado número de partículas, necessitando assim de se calcular um grande número de interações em cada iteração. Atualmente há sistemas com milhões de partículas que se pretende que sejam simulados no menor tempo possível. Este facto levou ao desenvolvimento de ferramentas de dinâmica molecular que procuram utilizar todos os recursos disponíveis para melhorar a execução das simulações. O principal objetivo desta tese é executar eficientemente simulações de dinâmica molecular em sistemas híbridos. Em vez implementar a simulação de dinâmica molecular desde o inıcio, foi utilizado a ferramenta MOIL. Depois foi desenvolvida uma implementação baseada no MOIL com otimizações que permitem que o código seja vetorizado automaticamente pelo compilador. As otimizações realizadas focaram-se no cálculo das forças e nas estruturas de dados. Foram introduzidas novas estruturas de dados para decompor o domínio em células. A vetorização foi utilizada nas implementações sequenciais e paralelas. Em ambos os casos a vetorização permitiu obter um desempenho melhor quando usada em conjunto com células. Para obter o melhor desempenho possível, o código otimizado foi paralelizado usando diferentes estratégias, incluindo memória partilhada, memória distribuída e uma solução híbrida. Na execução do código paralelo foram testadas varias combinações de processos e threads. De todas as implementações desenvolvidas a que permitiu melhores resultados foi a versão híbrida. Todas as implementações foram comparadas com o Gromacs que e uma referência em termos de desempenho das simulações de dinâmica molecular.Sobral, João Luís FerreiraEsteves, AntónioUniversidade do MinhoSilva, João Tiago Araújo da2016-03-202016-03-20T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/1822/47836eng201616246info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-07-21T12:47:22ZPortal AgregadorONG
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