.RU

Семестровый курс по выбору для аспирантов Кафедры физики полимеров и кристаллов Физического факультета мгу (осень 2010г.) к ф. м н. доц. Морозов И. В




Компьютерное моделирование
и суперкомпьютерные технологии

семестровый курс по выбору для аспирантов Кафедры физики полимеров и кристаллов Физического факультета МГУ (осень 2010г.)

к.ф.-м.н. доц. Морозов И.В.


Введение (2 часа)

Программа курса. Постановка физических задач для систем многих частиц. Методы классической молекулярной динамики (МД) и Монте-Карло (МК): история развития, область применения, преимущества и недостатки. Моделирование объектов на микро- и нано- уровнях. Положение методов МД и МК среди других вычислительных методов, многомасштабный подход. Примеры актуальных задач физики конденсированого вещества и неидеальной плазмы с демонстрацией результатов МД моделирования.


^ Обзор современных суперкомпьютерных технологий (2 часа)

Зачем нужны суперкомпьютеры? Физические задачи, требующие больших вычислений. Обзор высокопроизводительных систем в России и за рубежом. Обсуждение последних рейтингов Top-500 и Top-50. Качественный переход от последовательных к массивно-параллельным архитектурам и алгоритмам. Путь к Exaflop/s: вызовы и возможности. Обзор специализированных вычислительных устройств: графические ускорители, ПЛИС. Распределенные вычисления.


^ Уравнения движения и модели взаимодействия частиц (4 часа)

Разностные схемы Эйлера, Рунге-Кутта, Верле. Устойчивость разностных схем. Ошибки интегрирования и ошибки округления. Точность сохранения энергии в МД системе. Выбор оптимального шага по времени. Баланс между точностью и скоростью расчета. Схемы с переменным шагом. Требования к потенциалам взаимодействия для численного интегрирования. Модели взаимодействия нейтральных атомов и молекул: потенциалы Леннарда-Джонса, Бэкингема, Ми, Морзе. Моделирование макромолекул и полимеров. Многочастичные потенциалы для металлов, полупроводников и диэлектриков. Взаимодействие заряженных частиц в плазме, квантовые поправки на малых расстояниях. Проблема описания химических реакций.


^ Начальные и граничные условия при интегрировании уравнений движения
(2 часа)

Общая структура программы МД моделирования. Граничные условия. Метод ближайшего образа. Схема Эвальда. Выбор оптимального числа частиц в системе. Начальные условия. Вывод системы на равновесие: термостаты Андерсена, Берендсена, Ланжевена, Нозе-Хувера. Баростаты.


^ Анализ равновесной и неравновесной МД траектории (2 часа)

Определение температуры, давления и других термодинамических величин. Расчет одночастичных функций распределения, бинарных корреляционных функций. Определение фазового состояния. Расчет временных корреляционных функций. Определение эффективной частоты столкновений частиц, коэффициентов переноса, динамического структурного фактора. Статистические методы исследования неравновесных и метастабильных систем. Усреднение по ансамблю начальных неравновесных состояний. Возможности распараллеливания.


^ Метод Монте-Карло для моделирования систем многих частиц (2 часа)

История и обоснование метода. Алгоритм Метрополиса. Выбор амплитуды случайных источников. Примеры расчетов. Оптимизация алгоритма, Smart Monte-Carlo. Метод МК для большого канонического ансамбля.


^ Стохастические свойства динамических систем (2 часа)

Экспоненциальная расходимость траекторий в динамических системах. Показатель Ляпунова. Время динамической памяти. Влияние точности численной схемы на перемешивание траекторий. Статистический характер результатов МД и МК моделирования.


^ Оптимизация и распараллеливание расчета взаимодействия частиц (4 часа)

Общие рекомендации по написанию оптимальных программ на языках высокого уровня. Интерполяционные таблицы для сложных потенциалов взаимодействия. Списки Верле. Связанные списки частиц в ячейках. Параллельные алгоритмы: декомпозиция по частицам и по пространству. Эффективность распараллеливания. Оптимизация для дальнодействующих потенциалов. Алгоритм TreeMD для кулоновского взаимодействия. Мультипольное разложение. Метод Particle-particle-particle-mesh.

^ Методы квантовой МД. Комбинированные методы, основанные на МД. (2 часа)

Принцип Борна-Оппенгеймера. Теория функционала плотности. Методы Кара-Паринелло и квантовой МД (Time Dependent DFT). МД с волновыми пакетами. Метод частиц в ячейке (Particle-in-cell).

^ Использование современных пакетов МД моделирования. (2 часа)

Обзор и практические рекомендации по использованию готовых пакетов МД моделирования: LAMMPS, GROMACS, NAMD, HOOMD и др. Модели силовых полей. Визуализация результатов расчета.

^ Параллельные алгоритмы для систем с общей памятью (4 часа)

Реализация многозадачности в современных ОС. Процессы и потоки. Создание многопоточных приложений. Объекты синхронизации потоков: критическая секция, взаимное исключение, семафор, событие. Тупики (deadlocks). Побочные эффекты при вызове функций. Проблемы недостаточной и избыточной синхронизации. Распараллеливание с использованием OpenMP, OpenCL и других технологий. Параллелизм по задачам и по данным. Методы распараллеливания циклов. Балансировка загрузки процессоров. Примеры алгоритмов.

^ Параллельные алгоритмы для систем с распределенной памятью (4 часа)

Кластеры типа Beowulf. Особенности параллельных алгоритмов на основе передачи сообщений. Отличия между версиями стандарта MPI. Компиляция и запуск программ с использованием пакетов MPICH и LAM MPI. Основные функции стандартов MPI-1 и MPI-2. Оптимизация обмена сообщениями между процессами, учет аппаратной архитектуры. Графы исполнения. Параллельная форма алгоритма.

^ Использование графических ускорителей (GPU) (2 часа)

Применение GPU для вычислений, не связанных с обработкой графических изображений. Архитектура GPU, выпускаемых фирмами AMD и NVIDIA. Ключевое значение параллелизма по данным. Организация памяти и избежание задержек, связанных с обращением к памяти. Средства разработки программ для GPU. Кластеры на основе гибридных систем, включающих GPU. Примеры программ.

^ Введение в Grid- и Cloud- технологии (2 часа)

Метакомпьютинг. Понятие Grid. Виртуализация ресурсов. Основные требования к распределенным системам. Обзор современных технологий (GLOBUS, UNICORE и др.) и развитых Grid-сегментов (EGEE, NorduGrid, DEISA, российские Grid-сегменты). Иерархия сервисов Grid. Развитие пакета Globus и предоставляемые им базовые сервисы. Безопасность и аутентификация. Диспетчеризация заданий на Grid (resource brokers). Применение облачных технологий (Cloud) для научных расчетов.

^ РЕКОМЕНДОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

  1. Allen M.P., Tildesley D.J. Computer Simulation of Liquids. Oxford : Clarendon Press, 1989.

  2. Frenkel D., Smit B. Understanding Molecular Simulation: From Algorithms to Applications. San Diego: Academic Press, 2002.

  3. Валуев А.А., Норман Г.Э., Подлипчук В.Ю., Метод молекулярной динамики: теория и приложения. В сб. «Математическое моделирование. Физико-химические свойства вещества». М.: Наука, 1989. С. 5-40.

  4. Замалин В.М., Норман Г.Э., Филинов В.С. Метод Монте-Карло в статистической термодинамике. Москва: Наука, 1977.

  5. Кривцов А.М., Кривцова Н.В., Метод частиц и его использование в механике деформируемого твердого тела. Дальневосточный математический журнал ДВО РАН, 2002, Т. 3, N 2, с. 254-276.

  6. Rahman A. Correlations in the Motion fo Atoms in Liquid Argon. Phys. Rev., v. 136, pp. A405-411, 1964.

  7. Verlet L. Computer "Experiments" on Classical Fluids. Phys. Rev., v. 159, pp. 98-103, 1967; v. 165, pp. 201-214, 1968; Phys. Rev A., v. 2, pp. 2514-2528, 1970; v. 7, pp. 1690-1700, 1973.

  8. Sutmann G., Classical molecular dynamics. In: Quantum Simulations of Complex Many-Body Systems: From Theory to Algorithms (eds. J. Grotendorst, et al), Julich: NIC, Vol. 10, pp. 211-254, 2002.

  9. Карпов В.Е., Коньков К.А. Основы операционных систем. М.: Интуит, 2004.

  10. Воеводин В.В., Воеводин Вл.В. Параллельные вычисления. М.: БХВ-Санкт-Петербург, 2004.

  11. Богачёв К.Ю. Основы параллельного программирования, М: Бином, 2003.

  12. Сайт Лаборатории параллельных информационных технологий НИВЦ МГУ http://parallel.ru

  13. Официальная документация и учебные пособия по OpenMP: http://www.openmp.org, http://www.llnl.gov/computing/tutorials/openMP

  14. Адинец А.В., Сахарных Н.А. О системе программирования вычислений общего назначения на графических процессорах // на сайте http://www.parallel.ru/info/VVV

  15. J. A. Anderson, C. D. Lorenz, A. Travesset General purpose molecular dynamics simulations fully implemented on graphics processing units.// Journal of Computational Physics. 2008. 227

  16. Официальная документация и учебные пособия по MPI: http://www.mcs.anl.gov/mpi, http://www.lam-mpi.org


rol-studencheskogo-samoupravleniya-v-stanovlenii-lichnosti-studenta.html
rol-tamozhennih-organov-v-formirovanii-byudzhetnoj-sistemi.html
rol-termodinamiki-v-sovremennoj-fizike.html
rol-transnacionalnih-korporacij-v-obrabativayushej-promishlennosti.html
rol-tvorcheskoj-lichnosti-v-formirovanii-hudozhestvennoj-zhizni-epohi-na-primere-zhizni-i-tvorchestva-narimskogo-korsakova-i-ego-blizhajshego-okruzheniya-stranica-4.html
rol-ucheta-v-povishenii-ekonomicheskoj-effektivnosti-proizvodstvennoj-deyatelnosti-chast-4.html
  • uchenik.largereferat.info/85-sistema-menedzhmenta-kachestva-kaliningradskogo-filiala-mesi-otchet-o-rezultatah-samoobsledovaniya.html
  • turn.largereferat.info/osnovn-upravlnsk-kulturi-etnosocaln-osoblivost-upravlnnya.html
  • ekzamen.largereferat.info/snyatie-rabochego-napryazheniya-i-prinyatie-mer-protiv-oshibochnoj-podachi-ego-na-mesto-raboti.html
  • portfolio.largereferat.info/osobennaya-zhizn-na-osobennom-ostrove.html
  • uchebnik.largereferat.info/vnutrennij-redaktor-novie-izvestiya-valerij-vizhutovich-18062008-104-str-2.html
  • turn.largereferat.info/polozhenie-o-sorevnovaniyah-po-konkuru-letnij-kubok-lyubitelej-vtoroj-tur.html
  • literature.largereferat.info/deyatelnost-komitetov-i-komissij-gd-situaciya-vokrug-abhazii-i-yuzhnoj-osetii-10.html
  • exchangerate.largereferat.info/8-perspektivi-razvitiya-publichnij-doklad.html
  • notebook.largereferat.info/i43-forma-anketi-uchastnika-razmesheniya-zakaza-konkurs-3-razdel-i-priglashenie-k-uchastiyu-v-konkurse-3.html
  • uchenik.largereferat.info/kriterii-i-metodi-ocenki-investicionnih-proektov.html
  • uchit.largereferat.info/tema-1organizaciya-konkurentnih-zakupok-v-rao-ees-rossii72-uchchasa-plan-komplektovaniya-uchebnih-grupp-na-2008-god-chast-2.html
  • znaniya.largereferat.info/referat-po-filosofii-na-temu-soznanie-ego-proishozhdenie-i-sushnost.html
  • nauka.largereferat.info/vesti-rossiya-18082011-1100-teleprogramma-vesti-rossiya-18082011-rossijskie-smi-o-mchs-monitoring-za-19-avgusta-2011-g.html
  • letter.largereferat.info/obshestvennij-fond-obrazovanie-dlya-socialnogo-razvitiya-realizaciya-celej-odv-v-kontekste-reform-v-sfere-bazovogo-obrazovaniya-v-kirgizskoj-respublike.html
  • spur.largereferat.info/mehanika-dlya-kvantovoj-mehaniki-chast-o-principah-kratchajshego-vremeni-i-naimenshego-dejstviya.html
  • notebook.largereferat.info/itogi-2006-1-2-s-60-63-shvidkoj-m-mezhdu-kulturnimi-revolyuciyami-glava-federalnogo-agentstva-po-kulture-i-kinematografii-otvechaet-na-voprosi-zhurnalistov-rossijskaya-gazeta-2006-9-fevr-26-s-1-10-kobzon-i.html
  • tetrad.largereferat.info/usilenie-kolonialnoj-ekspluatacii-i-nacionalno-osvoboditelnaya-borba-narodov-indii-v-poslednej-treti-xix-v.html
  • portfolio.largereferat.info/patofiziologiya-krovi-patofiziologiya-serdechnoj-deyatelnosti-3.html
  • pisat.largereferat.info/transport-pasport-kurganskoj-oblasti-14-kurgan-2011.html
  • textbook.largereferat.info/igri-zaochnogo-tura-provodyatsya-pri-sponsorskoj-podderzhke-torgovoj-marki-mir-nagrad.html
  • institut.largereferat.info/tablica-4-po-materialam-zhurnala-standarti-i-kachestvo-5-6-2001.html
  • gramota.largereferat.info/xvii-svedeniya-o-krupnih-sdelkah-sovershennih-obshestvom-v-otchetnom-godu-godovoj-otchet-za-2010-god-generalnij-direktor.html
  • kontrolnaya.largereferat.info/referat-po-biologii-na-temu-koncerogeni.html
  • turn.largereferat.info/pifagorejskoe-soobshestvo-kniga-posvyashena-odnoj-iz-samih-interesnih-i-vmeste-s-tem-diskussionnih-problem-rannegrecheskoj.html
  • books.largereferat.info/dokumentaciya-ob-aukcione-po-otkritomu-aukcionu-na-pravo-zaklyucheniya-municipalnogo-kontrakta-na-postavku-uchebnih-posobij-i-tehnicheskih-sredstv-obucheniya-dlya-nuzhd-stranica-6.html
  • institut.largereferat.info/tehnicheskoe-zadanie-sovremennij-chelovek-zalozhnik-tehniki.html
  • znaniya.largereferat.info/rabochaya-programma-disciplini-fizicheskaya-kultura-po-specialnosti-0408-stomatologiya-ortopedicheskaya-stranica-2.html
  • uchenik.largereferat.info/avarijno-himicheskie-opasnie-veshestva-i-vrednie-veshestva.html
  • largereferat.info/zagolovok-nashi-traktori-ne-huzhe-tankov-zagolovok-zavod-budet-razvivat-potencial-2.html
  • abstract.largereferat.info/317-ispoved-dissertaciya-na-soiskanie-uchenoj-stepeni-kandidata-bogosloviya.html
  • shpargalka.largereferat.info/uchebnoe-posobie-vmeste-so-skazkoj.html
  • school.largereferat.info/diagrammi-sostoyaniya-trehkomponentnih-sistem.html
  • otsenki.largereferat.info/rezhimi-otobrazheniya-dokumenta-na-ekrane-metodicheskoe-posobie-po-discipline-informatika-2-chast.html
  • lektsiya.largereferat.info/prikaz-ot-29-fevralya-2008-g-n-112-ob-utverzhdenii-administrativnogo-reglamenta-federalnoj-sluzhbi-po-ekologicheskomu-tehnologicheskomu.html
  • teacher.largereferat.info/glava-43-dokazatelstva-po-delu-o-narushenii-kommentarij-k-tamozhennomu-kodeksu-rf.html
  • © LargeReferat.info
    Мобильный рефератник - для мобильных людей.