Ultra-Mat：基于平面波的第一原理异构计算软件

摘要：

基于平面波的第一原理计算方法是目前材料科学中最常用的方法，但传统的CPU并行计算遇到可扩展性瓶颈，无法改善其求解的绝对速度。系统地介绍了利用图形处理器（graphic processing unit，GPU）加速技术开发的大规模第一原理材料计算软件：Ultra-Mat。该软件对第一原理平面波算法进行了系统的算法设计和软件实现：（1）通过采用并行方案，实现了快速傅里叶变换（fast Fourier transform，FFT）的GPU局部操作；（2）设计了基于数据压缩的混合精度算法，显著减少了电子结构计算部分的MPI（message passing interface）通信；（3）完成了逾90%代码的GPU实现，目的是最大限度地减少中间流程，以避免CPU-GPU切换引发的数据传输，这是GPU应用中公认的性能瓶颈。测试结果显示Ultra-Mat具有很好的计算性能，对于512原子的GaAs系统，在电子结构计算部分，使用256 GPU卡相比4096 CPU核心有18倍的加速。

关键词：图形处理器(GPU)、第一性原理、平面波贋势密度泛函

分类号：TP317(计算技术、计算机技术)

资助基金：The National Natural Science Foundation of China under Grant Nos.10972215,60873113,11374328,11071047;the National Basic Research Program of China under Grant No.2010CB832702国家重点基础研究发展计划973计划;the National High Technology Research and Development Program of China under Grant Nos.2010AA012301,2010AA012402国家高技术研究发展计划863计划;the GPU Major Application Program under Grant No. XXH12503-02-03-04;the“One-Three-Five”Strategic Planning of Computer Network Information Center of CAS under Grant No. CNIC_PY-1404;the Natural Science Foundation of Shanghai of China under Grant No.09ZR1401900;the Program of the U.S. Department of Energy under Grant Nos. DE-AC02-05CH11231, DE-AC05-00OR22725;INCITE Program

在线出版日期：2014-07-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共9页

页码：769-777