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材料科学领域最受欢迎应用!GPU 为 VASP 带来 8 倍加速!


2016-8-2


    在全球各地的超级计算机中占据 15% 的运算周期、在材料研究领域中最受欢迎的应用 VASP,得益于 NVIDIA GPU 加速的支持,在进行标准密度泛函和杂化泛函计算性能测试时,达到创纪录的 1.4-8 倍加速!


    无论是量子信息处理、能源催化剂、新型药物、高分子聚合物,还是光敏器件或者是太阳能电池等一系列新材料的研究,都需要使用第一性原理来模拟材料特性。在材料研究领域中,VASP 是最受欢迎的量子化学软件,它在国内外具有广泛用户群,在全球各地的超级计算机中占据 15% 的运算周期。


材料科学最受欢迎!VASP:从原子级建模 & 模拟


    VASP 全称“Vienna Ab Initio Simulation Program”,它能够对各种材料进行原子级建模,并模拟各项数据,帮助研究人员更好地掌握材料的基础结构及其特性,以开发出更坚固、更具适应性,或是专门用于特定方面的材料,如电子设备、催化剂和磁性材料,到玻璃、相较、金属、陶瓷灯等等。


    一直以来,VASP 只能运行于采用 CPU 的计算机系统,现在已遇到可扩展性瓶颈,绝对计算时间存在上限,无法利用更多的 CPU 加速。


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传统系统速度已达上限,VASP 性能无法继续提升


    基于赝势的密度泛函和杂化泛函是 VASP 最常用的方法,广泛用于多体薛定谔方程自洽计算和量子分子动力学。


    在传统的纯 CPU 系统中,对于数百原子的系统,求解多体薛定谔方程,尤其采用杂化泛函计算时,总体计算时间往往达数周,即使采用多节点集群计算,由于网络带宽和延迟问题,总体计算时间也没有得到明显提升,制约了新材料研发进展。


    通过与诸多大学和科研机构协作,NVIDIA 在今年年初顺利完成了 GPU 加速版 VASP。通过对原有包含 FFT 和 BLAS 算法以 cuFFT 和 cuBLAS 替代,新算法能够完全适合 GPU 硬件架构,充分发挥 GPU 的计算潜力。同时,标准密度泛函和杂化泛函计算也均得到了 GPU 支持。


Tesla GPU加持,为 VASP 带来最高8倍性能提升


    作为 NVIDIA 在中国最重要的战略合作伙伴之一,曙光通过分析 VASP 异构计算特点,进一步设计了可靠的集群解决方案,在 CPU 和 GPU 运行能力、内存数量、网络延时与带宽上达到最佳匹配。


    该集群解决方案为每节点配置两块 Tesla K40 GPU 加速器,并通过 EDR InfiniBand 网络缩短 GPU 间的通信延时,增加通信带宽,从硬件层面进一步压缩软件的通信时间。


    最终,在进行标准密度泛函和杂化泛函计算性能测试时,达到创纪录的 1.4-8 倍加速!


    其中,对于 256 原子(9K 点) GaAsBi 体系标准密度泛函计算,在最重要的绝对计算时间上,单节点两颗 E5 2660 V3 CPU 共 16 核心计算耗时 7546 秒,使用 8 个 MPI 进程和两颗 Tesla K40 GPU 计算耗时 1242 秒,达到 6 倍加速!


    杂化泛函计算采用 63 原子、 192 能带和 4K 点 MgO 体系, 16 个 CPU 核心自洽计算耗时 900 秒,使用 4 个 MPI 进程和两颗 Tesla K40 GPU 自洽计算耗时 640 秒。


    可以预见,对于大型集群来说,多 GPU 系统会带来更加显著的提速。


    时至今日,支持 GPU 加速的高性能计算应用已超过 400 款,包括 AMBER 分子动力学模拟应用、TERACHEM 蛋白动力学模拟应用、ECHELON 油气储层模拟应用、ANSYS Fluent 计算流体动力学应用等等。借助 GPU 加速,全球各地的科学家可以更加高效地解决各个领域中最艰难的计算挑战。




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