Зачем и какие нужны суперкомпьютеры эксафлопсного класса? Предсказательное моделирование свойств и многомасштабных процессов в материаловедении

Автор: Куксин Алексей Юрьевич, Ланкин Александр Валерьевич, Морозов Игорь Владимирович, Норман Генри Эдгарович, Орехов Никита Дмитриевич, Писарев Василий Вячеславович, Смирнов Григорий Сергеевич, Стариков Сергей Валерьевич, Стегайлов Владимир Владимирович, Тимофеев Алексей Владимирович

Журнал: Программные системы: теория и приложения @programmnye-sistemy

Рубрика: Программное и аппаратное обеспечение распределенных и суперкомпьютерных систем

Статья в выпуске: 1 (19) т.5, 2014 года.

Бесплатный доступ

Рассматривается подход, позволяющий выявить, для каких задач нужны суперкомпьютеры эксафлопсного класса. Возможности подхода рассмотрены на примерах актуальных задач материаловедения, физики конденсированного вещества и плотной плазмы, для решения которых необходимо атомистическое моделирование на современных и создаваемых в настоящее время суперкомпьютерах. Для каждой задачи проведено соответствие между набором изучаемых явлений и требуемым уровнем быстродействия (числа ядер) вычислительной системы. Показана масштабируемость параллельных программ моделирования и перспектива расширения предсказательной способности методов по мере увеличения числа вычислительных ядер и/или использования специализированных архитектур (графические ускорители). Рассмотрена иерархия методов моделирования, необходимых для адекватного описания свойств веществ на различных пространственных и временных масштабах. На наиболее глубоком нанометровом/пикометровом масштабе для моделирования электронной динамики и построения эффективных потенциалов взаимодействия частиц применяется теория функционала плотности (квантовая молекулярная динамика). Классический метод молекулярной динамики позволяет явно рассмотреть системы движущихся атомов вплоть до микромасштабов. Выход на макромасштабы осуществляется с помощью кинетических подходов и механики сплошных сред. Проведены сравнения эффективности распараллеливания для топологий тора и толстого дерева для трёх классов задач.

Еще

Атомистическое моделирование, пылевая плазма, электронная структура, гидраты, лазерная абляция, молекулярная динамика, многомасштабное моделирование, нуклеация, параллельная эффективность, полимеры, радиационное старение, электрохимия

Короткий адрес: https://sciup.org/14335972

IDR: 14335972

Список литературы Зачем и какие нужны суперкомпьютеры эксафлопсного класса? Предсказательное моделирование свойств и многомасштабных процессов в материаловедении

INCITE program, URL http://www.doeleadershipcomputing.org/.
IBM Journal of Research and Development, 2005, URL http://www.research. ibm.com/journal/rd49-23.html.
В. В. Стегайлов, Г. Э. Норман. Проблемы развития суперкомпьютерной отрасли в России: взгляд пользователя высокопроизводительных систем//Программные системы: теория и приложения, 2014. Т. 5, № 1, c. 111-152, URL http://psta.psiras.ru/psta2014_1_111-152.pdf.
Г. Э. Норман, В. В. Стегайлов. Стохастическая теория метода классической молекулярной динамики//Математическое моделирование, 2012. Т. 24, № 6, c. 3-44.
А. В. Янилкин, П. А. Жиляев, А. Ю. Куксин, Г. Э. Норман, В. В. Писарев, В. В. Стегайлов. Применение суперкомпьютеров для молекулярнодинамического моделирования процессов в конденсированных средах.//Вычислительные методы и программирование, 2010. Т. 11, c. 111-116.
Z. A. Insepov, E. M. Karatajev, G. E. Norman. The kinetics of condensation behind the shock front//Zeitschrift f¨ r Phys. D Atoms, Mol. Clust., 1991. u Vol. 20, no. 1-4, p. 449-451.
J. M. Savolainen, M. S. Christensen, P. Balling. Material swelling as the first step in the ablation of metals by ultrashort laser pulses//Phys. Rev. B, 2011. Vol. 84, p. 193410.
M. Ishino, A. Y. Faenov, M. Tanaka, S. Tamotsu, N. Hasegawa, M. Nishikino, T. A. Pikuz, T. Kaihori, T. Kawachi. Observations of surface modifications induced by the multiple pulse irradiation using a soft picosecond x-ray laser beam//Appl. Phys. A, 2012. Vol. 110, p. 179-188.
С. И. Ашитков, Н. А. Иногамов, В. В. Жаховский, Ю. Н. Эмиров, М. Б. Агранат, И. И. Олейник, С. И. Анисимов, В. Е. Фортов. Образование нанополостей в поверхностном слое алюминиевой мишени при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов//Письма в ЖЭТФ, 2012. Т. 95, № 4, c. 195-197.
С. В. Стариков, В. В. Стегайлов, Г. Э. Норман, В. Е. Фортов, М. Ишино, М. Танака, Н. Хасегава, М. Нишикино, Т. Охба, Т. Каихори, Е. Очи, Т. Имазоно, Т. Кавачи, С. Тамотсу, Т. А. Пикуз, И. Ю. Скобелев, А. Я. Фаенов. Лазерная абляция золота: эксперимент и атомистическое моделирование//Письма в ЖЭТФ, 2011. Т. 93, № 11, c. 719-725.
M. E. Povarnitsyn, T. E. Itina, P. R. Levashov, K. V. Khishchenko. Simulation of ultrashort double-pulse laser ablation//Appl. Surf. Sci., 2011. Vol. 257, p. 5168-5171.
A. V. Mazhukin, V. I. Mazhukin, M. M. Demin. Modeling of femtosecond ablation of aluminum film with single laser pulses//Appl. Surf. Sci., 2011. Vol. 257, p. 5443-5446.
Г. Э. Норман, С. В. Стариков, В. В. Стегайлов. Атомистическое моделирование лазерной абляции золота: эффект релаксации давления//ЖЭТФ, 2012. Т. 141, № 5, c. 910-918.
G. Norman, S. Starikov, V. Stegailov, V. Fortov, I. Skobelev, T. Pikuz, A. Faenov, S. Tamotsu, Y. Kato, M. Ishino, M. Tanaka, N. Hasegawa, M. Nishikino, T. Ohba, T. Kaihori, Y. Ochi, T. Imazono, Y. Fukuda, M. Kando, T. Kawachi. Nanomodification of gold surface by picosecond soft x-ray laser pulse//J. Appl. Phys., 2012. Vol. 112, no. 1, p. 013104.
M. E. Povarnitsyn, T. E. Itina, P. R. Levashov, K. V. Khishchenko. Mechanisms of nanoparticle formation by ultra-short laser ablation of metals in liquid environment//Phys. Chem. Chem. Phys., 2013. Vol. 15, p. 3108-3114.
N. A. Inogamov, V. V. Zhakhovsky, Yu. V. Petrov, V. A. Khokhlov, S. I. Ashitkov, K. V. Khishchenko, K. P. Migdal, D. K. Ilnitsky, Yu. N. Emirov, P. S. Komarov, V. V. Shepelev, C. W. Miller, I. I. Oleynik, M. B. Agranat, A. V. Andriyash, S. I. Anisimov, V. E. Fortov. Electron-ion relaxation, phase transitions, and surface nano-structuring produced by ultrashort laser pulses in metals//Contrib. to Plasma Phys., 2013. Vol. 53, no. 10, p. 796-810.
G. E. Norman, S. V. Starikov, V. V. Stegailov, I. M. Saitov, P. A. Zhilyaev. Atomistic Modeling of Warm Dense Matter in the Two-Temperature State//Contrib. to Plasma Phys., 2013. Vol. 53, no. 2, p. 129-139.
S. V. Starikov, A. Ya. Faenov, T. A. Pikuz, I. Yu. Skobelev, V. E. Fortov, S. Tamotsu, Y. Kato, M. Ishino, M. Tanaka, N. Hasegawa, M. Nishikino, T. Ohba, T. Kaihori, Y. Ochi, T. Imazono, T. Kawachi. Soft picosecond X-ray laser nanomodification of gold and aluminum surfaces//Appl. Phys. B: Lasers and Optics, 2014, URL DOI: 10.1007/s00340-014-5789-y
D. S. Ivanov, A. I. Kuznetsov, V. P. Lipp, B. Rethfeld, B. N. Chichkov, M. E. Garcia, W. Schulz. Short laser pulse nanostructuring of metals: direct comparison of molecular dynamics modeling and experiment//Appl. Phys. A, 2013. Vol. 111, p. 675-687.
C. Wu, L. V. Zhigilei. Microscopic mechanisms of laser spallation and ablation of metal targets from large-scale molecular dynamics simulations//Appl. Phys. A, 2014. Vol. 114, p. 11-32.
Z. Insepov, J. Rest, A. M. Yacout, A. Yu. Kuksin, G. E. Norman, V. V. Stegailov, S. V. Starikov, A. V. Yanilkin. Derivation of kinetic coefficients by atomistic methods for studying defect behavior in Mo//J. Nucl. Mat., 2012. Vol. 425, no. 1-3, p. 41-47, URL http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0022311511007951.
M. S. Veshchunov, A. V. Boldyrev, V. D. Ozrin, V. E. Shestak, V. I. Tarasov, G. E. Norman, A. Yu. Kuksin, V. V. Pisarev, D. E. Smirnova, S. V. Starikov, V. V. Stegailov, A. V. Yanilkin. Development of the Mechanistic Fuel Performance and Safety Code SFPR Using the Multi-Scale Approach//TMS2013 Supplemental Proceedings: John Wiley amp; Sons, Inc., 2013, p. 655-664.
S. V. Starikov, Z. Insepov, J. Rest, A. Yu. Kuksin, G. E. Norman, V. V. Stegailov, A. V. Yanilkin. Radiation-induced damage and evolution of defects in Mo//Phys. Rev. B, 2011. Vol. 84, no. 10, p. 104109.
D. E. Smirnova, S. V. Starikov, V. V. Stegailov. Interatomic potential for uranium in a wide range of pressures and temperatures//J. Phys. Condens. Matter, 2012. Vol. 24, no. 1, p. 015702.
D. E. Smirnova, A. Yu. Kuksin, S. V. Starikov, V. V. Stegailov, Z. Insepov, J. Rest, A. M. Yacout. A ternary EAM interatomic potential for U-Mo alloys with xenon//Model. Simul. Mater. Sci. Eng., 2013. Vol. 21, no. 3, p. 035011.
А. Ю. Куксин, Д. Е. Смирнова. Расчет коэффициентов диффузии дефектов и ионов в UO2//ФТТ, 2014. Т. 56, № 6, c. 1166-1175.
С. В. Стариков. Атомистическое моделирование образования дефектов при пролете осколков деления в UO2//ТВТ, 2014 (в печати).
A. Yu. Kuksin, G. E. Norman, V. V. Pisarev, V. V. Stegailov, A. V. Yanilkin. Theory and molecular dynamics modeling of spall fracture in liquids//Phys. Rev. B, 2010. Vol. 82, no. 17, p. 174101.
Z.-J. Wang, C. Valeriani, D. Frenkel. Homogeneous bubble nucleation driven by local hot spots: a molecular dynamics study//J. Phys. Chem. B, 2009. Vol. 113, no. 12, p. 3776-3784.
J. W. P. Schmelzer. Crystal nucleation and growth in glass-forming melts: Experiment and theory//J. Non. Cryst. Solids, 2008. Vol. 354, no. 2-9, p. 269-278.
Г. Э. Норман, В. В. Стегайлов. Гомогенная нуклеация в перегретом кристалле. Молекулярно-динамический расчет//ДАН, 2002. Т. 386, № 3, c. 328-332.
A. Yu. Kuksin, I. V. Morozov, G. E. Norman, V. V. Stegailov, I. A. Valuev. Standards for molecular dynamics modelling and simulation of relaxation//Mol. Simul., 2005. Vol. 31, no. 14-15, p. 1005-1017.
T. T. Bazhirov, G. E. Norman, V. V. Stegailov. Molecular dynamics simulation of cavitation in a lead melt at negative pressures//Russian Journal of Physical Chemistry, 2006. Vol. 80, no. S1, p. S90-S97.
А. Ю. Куксин, А. В. Янилкин. Кинетическая модель разрушения при высокоскоростном растяжении на примере кристаллического алюминия//ДАН, 2007. Т. 413, № 5, c. 615-619.
A. Yu. Kuksin, P. R. Levashov, V. V. Pisarev, M. E. Povarnitsyn, A. V. Yanilkin, A. S. Zakharenkov. Model of fracture of liquid aluminum based on atomistic simulations//Physics of Extreme States of Matter -2011, 2011, p. 57.
D. Rossinelli, B. Hejazialhosseini, P. Hadjidoukas, C. Bekas, A. Curioni, A. Bertsch, S. Futral, S. J. Schmidt, N. A. Adams, P. Koumoutsakos. 11 PFLOP/s Simulations of Cloud Cavitation Collapse//Proceedings of SC13: International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis. SC ’13: ACM, 2013, p. 3:1-3:13.
В. В. Писарев. Определение свободной энергии поверхности кристаллрасплав//ТВТ, 2012. Т. 50, № 6, c. 769-774.
G. S. Smirnov, V. V. Stegailov. Melting and superheating of sI methane hydrate: Molecular dynamics study//J. Chem. Phys., 2012. Vol. 136, no. 4, p. 044523.
G. S. Smirnov, V. V. Stegailov. Toward Determination of the New Hydrogen Hydrate Clathrate Structures//J. Phys. Chem. Lett., 2013. Vol. 4, p. 3560-3564.
N. English. Massively-Parallel Molecular Dynamics Simulation of Clathrate Hydrates on Blue Gene Platforms//Energies, 2013. Vol. 6, no. 6, p. 3072-3081.
S. J. Stuart, A. B. Tutein, J. A. Harrison. A reactive potential for hydrocarbons with intermolecular interactions//J. Chem. Phys., 2000. Vol. 112, no. 14, p. 6472.
S. L. Mayo, B. D. Olafson, W. A. Goddard. DREIDING: a generic force field for molecular simulations//J. Phys. Chem., 1990. Vol. 94, no. 26, p. 8897-8909.
Н. И. Хохлов, И. Б. Петров. Решение больших задач сейсмики на высокопроизводительных вычислительных системах: Тезисы докладов: НСКФ, 2013.
В. Е. Фортов, А. Г. Храпак, С. А. Храпак, В. И. Молотков, О. Ф. Петров. Пылевая плазма//УФН, 2004. Т. 174, № 5, c. 495-544.
G. Norman, V. Stegailov, A. Timofeev. Abnormal Kinetic Energy of Charged Dust Particles in Plasmas//Contrib. to Plasma Phys., 2010. Vol. 50, no. 1, p. 104-108.
Г. Э. Норман, В. В. Стегайлов, А. В. Тимофеев. Аномальная кинетическая энергия системы пылевых частиц в плазме газового разряда//ЖЭТФ, 2011. Т. 140, № 5, c. 1017-1032.
G. E. Norman, A. V. Timofeev. Kinetic temperature of dust particle motion in gas-discharge plasma//Phys. Rev. E, 2011. Vol. 84, no. 5, p. 056401.
G. E. Norman, A. V. Timofeev. Anomalous kinetic energy of charged dust particles in gas discharge plasma//Ukr. J. Phys., 2011. Vol. 56, no. 12, p. 1300-1304.
Г. Э. Норман, А. В. Тимофеев. Применение понятия «температура» для описания динамики пылевых частиц в плазме газового разряда//ДАН, 2012. Т. 446, № 4, c. 393-397.
А. В. Ланкин. Столкновительная рекомбинация в неидеальной плазме//ЖЭТФ, 2008. Т. 134, c. 1013-1023.
A. V. Lankin, G. E. Norman. Collisional recombination in strongly coupled plasmas//J. Phys. A Math. Theor., 2009. Vol. 42, no. 21, p. 214042.
A. Lankin, G. Norman. Density and Nonideality Effects in Plasmas//Contrib. to Plasma Phys., 2009. Vol. 49, no. 10, p. 723-731.
A. Lankin, G. Norman. Recombination in Dense Ion Plasmas//Contrib. to Plasma Phys., 2013. Vol. 53, no. 10, p. 711-720.
А. В. Ланкин, Г. Э. Норман, В. В. Стегайлов. Атомистическое моделирование взаимодействия электролита с графитовыми наноструктурами в перспективных суперконденсаторах//ТВТ, 2010. Т. 48, № 6, c. 877-885.
A. Bhatel´, L. V. Kal´, S. Kumar. Dynamic Topology Aware Load Balancing e e Algorithms for Molecular Dynamics Applications//Proceedings of the 23rd International Conference on Supercomputing. ICS ’09: ACM, 2009, p. 110-116.
В. В. Чуданов, С. А. Горейнов, А. Е. Аксенова, В. А. Первичко, А. А. Макаревич. Новый метод решения CFD задач на кластерных ЭВМ петафлопсной производительности, 2013. Т. 5, № 1, c. 3-14, URL http://psta.psiras.ru/read/psta2014_1_3-14.pdf.
П. А. Жиляев, В. В. Стегайлов. Ab initio молекулярная динамика: перспективы использования многопроцессорных и гибридных суперЭВМ//Вычислительные методы и программирование, 2012. Т. 13, № 2, c. 37-45.
I. Bethune, A. Carter, X. Guo, P. Korosoglou. Million Atom KS-DFT with CP2K//PRACE White Paper, 2011.
O. Ayala, L.-P. Wang. Parallel implementation and scalability analysis of 3D Fast Fourier Transform using 2D domain decomposition//Parallel Computing, 2013. Vol. 39, no. 1, p. 58-77.
T. Hoefler, M. Snir. Generic Topology Mapping Strategies for Large-scale Parallel Architectures//Proceedings of the International Conference on Supercomputing ICS ’11: ACM, 2011, p. 75-84.
ExaScale Computing Study: Technology Challenges in Achieving Exascale Systems. DARPA Inf. Processing Techn. Office, 2008, URL http://www.cse. nd.edu/Reports/2008/TR-2008-13.pdf.
S. Plimpton. Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics//J. Comput. Phys., 1995. Vol. 117, no. 1, p. 1-19.
J. A. Anderson, C. D. Lorenz, A. Travesset. General purpose molecular dynamics simulations fully implemented on graphics processing units//J. Comput. Phys., 2008. Vol. 227, no. 10, p. 5342-5359.
J. E. Stone, D. J. Hardy, I. S. Ufimtsev, K. Schulten. GPU-accelerated molecular modeling coming of age//J. Mol. Graph. Model., 2010. Vol. 29, no. 2, p. 116-125.
M. S. Friedrichs, P. Eastman, V. Vaidyanathan, M. Houston, S. Legrand, A. L. Beberg, D. L. Ensign, C. M. Bruns, V. S. Pande. Accelerating molecular dynamic simulation on graphics processing units//J. Comput. Chem., 2009. Vol. 30, no. 6, p. 864-872.
P. H. Colberg, F. H¨fling. Highly accelerated simulations of glassy dynamics o using GPUs: Caveats on limited floating-point precision//Comput. Phys. Commun., 2011. Vol. 182, no. 5, p. 1120-1129.
I. V. Morozov, A. M. Kazennov, R. G. Bystryi, G. E. Norman, V. V. Pisarev, V. V. Stegailov. Molecular dynamics simulations of the relaxation processes in the condensed matter on GPUs//Comput. Phys. Commun., 2011. Vol. 182, no. 9, p. 1974-1978.
R. G. Bystryi, I. V. Morozov. GPU-accelerated molecular dynamics simulations of nonideal plasmas//Physics of Extreme States of Matter-2012. -Chernogolovka: IPCP RAS, 2012, p. 134-136.
W. M. Brown, A. Kohlmeyer, S. J. Plimpton, A. N. Tharrington. Implementing molecular dynamics on hybrid high performance computers -Particle-particle particle-mesh//Comput. Phys. Commun., 2012. Vol. 183, no. 3, p. 449-459.
С. С. Андреев, С. А. Дбар, А. О. Лацис, Е. А. Плоткина. Макет гибридной реконфигурируемой вычислительной системы и реализация на нем вычислений с повышенной точностью: Тезисы докладов: НСКФ, 2013.
http://top500.org/lists/2013/11/.

Еще

Статья научная