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中国科学技术大学首次在“神威·太湖之光”超算上实现千万核心并行的第一性原理计算
2020年07月10日    作者: 戴亚飞 高飞雪    发布 : 化学科学部

在国家自然科学基金委的资助下(项目资助号:21688102, 21803066),中国科学技术大学杨金龙院士、安虹教授和胡伟研究员,在第一性原理模拟大尺寸数万原子/分子固体体系领域,以低标度平面波高精度计算软件为基础,首次在“神威·太湖之光”国家超级计算无锡中心实现了千万核超大规模并行计算。该成果以“High performance computing of DGDFT for tens of thousands of atoms using millions of cores on Sunway TaihuLight” 为题,在线发表于《科学通报》(Science Bulletin)上。论文连接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927320304230

 “神威·太湖之光”是世界第一台理论浮点计算能力达到十亿亿次量级的超级计算机系统。不同于国际通用的“CPU + 加速器”超算系统结构,“神威·太湖之光”强大的理论浮点计算性能来自于40,960 个完全由我国自主设计的第二代申威26010众核处理器。相比于同时代的商用多核处理器,申威众核处理器擅长处理规则且易于并行的计算密集型任务,具有更大规模的多级并行计算单元和独特的片上存储结构,其上的并行算法设计和性能优化正面临着诸多挑战。为了充分、高效利用这台高性能超算,迫切需要在重大应用问题的驱动下发展其上的算法设计和优化方法,真正实现利用我国自主研发的高性能超算,解决未来基础科学及应用科学领域的重大难题。

针对以上算法设计的实际需求,中国科学技术大学超算应用团队、软件移植和性能优化团队,基础算法库开发团队以及国家超算中心硬件技术支持团队密切合作,将理论与计算化学的低标度理论算法与国产高性能并行计算软硬件的优势相结合,开发了低标度、低通讯,低内存、低访存的并行计算方法,实现了具有平面波精度的千万核超大规模高性能并行计算,充分发挥了国产神威?太湖之光超级计算机的强大计算能力。

团队以研究含有超万碳原子(11520碳原子)的二维金属石墨烯体系的电子结构为驱动,采用DGDFT(Discontinuous Galerkin Density Functional Theory)方法,该方法利用自洽场迭代过程中动态生成的自适应局域基函数来求解Kohn-Sham方程,具有可媲美于平面波基组的高计算精度;并行算法则采用两级并行化策略,用于处理并行计算中各种类型的数据分布、任务调度和数据通信方案等,基于主从核多线程异构并行和高性能计算函数库,首次在 “神威·太湖之光” 超级算系统完成了8,519,680个计算处理核(131,072个核组) 并行的超大规模第一性原理计算。此次计算中所模拟的体系大小(超万原子)比国际同等平面波精度的计算模拟软件提高了数百倍。这一研究成果表明,借助当代最先进的计算方法和世界顶级高性能计算平台,大体系、长时间的高精度第一性原理材料模拟已成为现实。

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图1  DGDFT的ALB基组,块状三对角Hamiltonian矩阵,流程图,神威主从核并行加速

附:

Wei Hu, Xinming Qin, Qingcai Jiang, Junshi Chen, Hong An*,Weile Jia, Fang Li,Xin Liu, Dexun Chen, Fangfang Liu, Yuwen Zhao, Jinlong Yang*, High performance computing of DGDFT for tens of thousands of atoms using millions of cores on Sunway TaihuLight, Science Bulletin, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927320304230

英文题目:High performance computing of DGDFT for tens of thousands of atoms using millions of cores on Sunway Taihu Light

中文题目:基于“神威·太湖之光”的千万核超算计算机上实现数万原子的DGDFT高性能计算

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