Parallelising Molecular Dynamics for Message Passing Systems Martin Gerber 26.11.99.

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1 Parallelising Molecular Dynamics for Message Passing Systems Martin Gerber 26.11.99

2 Molekulardynamik-Simulation Vielteilchenwechselwirkung Summation der Teilkräfte Periodische Randbedingungen Koordinaten Wechselwirkung Integration t+t

3 Grössenordnungen Molekulare Systeme: »36000 Atome, cutoff 1.4nm, pro Atom ca. 500 Nachbarn Simulation 1 Zeitschritt: »real: 0.5-2 · 10 -15 s »SunUltra30: 30s 1ns simulieren: 1/2 bis 2 Jahre

4 Motivation & Ziele Methodik und neue Verfahren für den Entwurf dedizierter paralleler Systeme è Spezialhardware? SMP? WS-Cluster? è Softwarentwicklung?

5 Inhalt MD-Algorithmen Exploration Codegenerierung Validierung Entwurf Spezifikation

6 Parallele MD Algorithmen Anwendbarkeit verschiedener Verfahren auf Gromos: »Particle Decomposition »Interaction Decomposition »Spatial Decomposition: l Domain Decomposition l Replicated Data l Systolic Loops Implementation eines Prototypen mit MPI

7 kubische Randbedingungen

8 Domain Decomposition für rechtwinklige Simulationsbox

9 Oktaedrische Randbedingungen è Replicated Data

10 Inhalt MD-Algorithmen Exploration Codegenerierung Validierung Entwurf Spezifikation

11 Spezifikationsmodell Kontroll-/Datenflussgraph für datenparallele Algorithmen (replicated data) Generische Modelle algorithmischer Funktionen: »Komplexität »I/O Bandbreite »Speicherbedarf Ausschnitt aus der Gromos96P Spezifikation (Pairlist Aufbau)

12 Gromos96P Kontrollfluss- Spezifikation (komplett)

13 l Punkt-zu-Punkt Kommunikation Architekturmodell Overhead Latenz Bandbreite l Performanzmodell für Rechenknoten »Rechenleistung »elementare Operationen blocking non-blocking

14 Inhalt MD-Algorithmen Exploration Codegenerierung Validierung Entwurf Spezifikation

15 Analytische Modelle Parallele Architekturen Parallele Architekturen Generische Funktionsmodelle Generische Funktionsmodelle Bindung: Quantitative Schätzung der Performanz Parallelisierungs- strategie Parallelisierungs- strategie FunktionenRechenknoten Ablaufplan Simulations- parameter Simulations- parameter

16 Untersuchte parallele Architekturen

17 Quantitative Speed-up Schätzung

18 Inhalt MD-Algorithmen Exploration Codegenerierung Validierung Entwurf Spezifikation

19 Softwarestruktur Ê viele Versionen derselben SW allgemeine SW: Ô spezialisiert zur Laufzeit Trennung von Algorithmus und Zielarchi- tektur: Ô Konfiguration zur Compile-Zeit

20 Neue Programmierumgebung Funktionen Interface CDFG Architektur Schedule Extraktion ausführbare Programme sequentiell & parallel

21 Inhalt MD-Algorithmen Exploration Codegenerierung Validierung Entwurf Spezifikation

22 Validierung Gromos96P Getestete Versionen: Datenkommunikation Barrier Synchronisation synchronasynchron einaus IBM SP-2 1-44 Knoten Architekturen Workstation Cluster 1-5 Knoten Myrinet Fast Ethernet

23 kubische Box auf IBM SP-2 Daten asynchron, mit BarrierDaten asynchron, ohne Barrier

24 Workstation Cluster Skalierbarkeit par. Funktionen Daten asynchron, ohne Barrier