分子動力學(xué)模擬中Cache訪問的優(yōu)化研究.pdf

1、隨著高性能計算的發(fā)展，多核處理器逐漸成為微處理器的主流。在微處理器體系結(jié)構(gòu)邁進多核時代的過程中，大部分多核心微處理器采用層次化多級緩存結(jié)構(gòu)來緩解CPU和主存儲器之間速度不匹配的矛盾。分子動力學(xué)(Molecular Dynamics，MD)模擬是高性能計算領(lǐng)域的重要應(yīng)用之一，在計算物理和計算化學(xué)等諸多科學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。為了使得MD模擬結(jié)果更加接近真實實驗結(jié)果，在模擬計算過程中要盡可能增加模擬體系的粒子個數(shù)和延長模擬時間，這個要求使得

2、MD模擬過程相當(dāng)耗時和計算機資源?？蒲泄ぷ髡叱２捎貌⑿杏嬎愕姆椒ㄈ崿F(xiàn)模擬，這樣可以充分利用有限的計算機資源和準(zhǔn)確快速得到模擬結(jié)果，但是在多核處理器平臺下進行并行計算時，緩存競爭較為突出。通過優(yōu)化使得緩存命中率達到一個比較高的水平已成為緩解緩存競爭的研究熱點。
　　 本文通過對MD模擬程序進行研究，并分析該領(lǐng)域已有緩存優(yōu)化算法的研究現(xiàn)狀和不足，在此基礎(chǔ)上對分層算法進行改進，提高了緩存的命中率。主要研究內(nèi)容包括：⑴介紹了并行計算的

3、發(fā)展歷史和思想，在此基礎(chǔ)闡述了并行計算機體系結(jié)構(gòu)和其中多層次緩存工作原理，并對文中使用的并行編程模型OpenMP進行介紹。分析和研究了分子動力學(xué)模擬中的基本原理和概念。上述工作為以后的優(yōu)化奠定了理論基礎(chǔ)。⑵在分析MD模擬領(lǐng)域已有的緩存優(yōu)化算法之后，發(fā)現(xiàn)分層算法在模擬中對粒子進行分層處理時，一些粒子的公共近鄰粒子在內(nèi)存中位置分散的可能性較大，導(dǎo)致較差的粒子分布。本文針對上述缺點對分層算法進行優(yōu)化，得到Atoms-reorder優(yōu)化算法。該