Parallelising Molecular Dynamics for Message Passing Systems (complete) Martin Gerber 26.11.99.

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1 Parallelising Molecular Dynamics for Message Passing Systems (complete) Martin Gerber 26.11.99

2 Molekulardynamik-Simulation Schrödinger Gleichung (quantenmechanisch) »Born-Oppenheimer Physikalische Modelle: »Van der Waals Dispersion, Coulomb-Kraft »Klassische Newton‘sche Bewegungsgleichungen »Lennard-Jones Paarpotential Charge Groups Konzept Wechselwirkungspotential von flüssigem Argon: l 2 Atome: l effektives Paarpotential:

3 Parallel Computing Aimed at Quantum and Classical Dynamical Molecular Simulation ETH Projekt 1996-99, 830kFr. Partner »Leitung: IGC (Institut für Informatikgestützte Chemie, W.F. van Gunsteren) »IWR (Institut für Wissenschaftliches Rechnen, W. Gander) »IFE (Institut für Elektronik, G. Tröster) »TIK (Institut für Technische Informatik und Kommunikationsnetze, L. Thiele)

4 Inhalt MD-Algorithmen Exploration Codegenerierung Validierung Entwurf Spezifikation

5 kubische Randbedingungen II

6 Load Balancing 20 Knoten: gleich gut für kubische Box, oktaedrische Box: momentan nicht rechenbar auf 20 Knoten (Boxgrösse zu klein)

7 Inhalt MD-Algorithmen Exploration Codegenerierung Validierung Entwurf Spezifikation

8 Inhalt MD-Algorithmen Exploration Codegenerierung Validierung Entwurf Spezifikation

9 Exploration Analyse Systemsynthese: Heterogene Hardware/Software Systeme »Applikation eines Evolutionären Algorithmus (EA) Neue Analytische Modelle »für parallele Architekturen »für datenparallele Algorithmen »Ziel: Schätzungen (Performanz, Skalierbarkeit) è Paralleles Zielsystem (Hardware & Software)

10 Systemsynthese mit EA Super- Architektur Algorithmus Mappings f1: v1,v3 f2: v1,v2... KostenZeit Synthese 1 2 3 4 5 6 7 Ablaufplan Architektur Bindung

11 Exploration mit System-Synthese Synthese automatisiert: »Allokation, Bindung, Ablaufplanung Nur zwei Optimierungskriterien: »Ausführungszeit, Kosten. MD Algorithmus: »Allokation und Bindung offensichtlich »Datenparallelität »Exploration für versch. molekulare Systeme è ungeeignet für MD Algorithmen

12 Synthese–Tool

13 Abhängigkeits-, Architektur- und Spezifikationsgraph

14 Ganttcharts

15 Inhalt MD-Algorithmen Exploration Codegenerierung Validierung Entwurf Spezifikation

16 Gromos96 SW Struktur viele Versionen derselben Funktion: »aufwendig im Unterhalt informale Spezifikation der Zielarchitektur FORTRAN: »globale Variablen (common blocks) »SMP: wie parallelisieren? Algorithmische Funktionen Mehrere Versionen für verschiedene Architekturen

17 Neue Programmierumgebung Trennung von Algorithmus und Zielarchitektur generische Funktionen für alle Architekturen paralleler Prototyp: »komplex »viele Abhängigkeiten im Code »sehr anfällig auf Programmierfehler è Automatisieren

18 Bindung

19 Inhalt MD-Algorithmen Exploration Codegenerierung Validierung Entwurf Spezifikation

20 Handcodierte Versionen asynchrone Datenkommunikation Wie implementieren? »Synchronisation: Wann? Wo? So wenig wie möglich? »Broadcast oder Punkt-zu-Punkt? mpi_reduce? Zum Beispiel so: »Punkt-zu-Punkt Datenverteilung, asynchron »Barrier Synchronisation optional »Daten sammeln mit mpi_reduce (Kommunikation + Addition) Alternativ »Broadcast Datenverteilung, asynchron »Punkt-zu-Punkt zum Daten sammeln

21 Generierte Version Datenkommunikation synchron Daten sammeln mit mpi_reduce Performanz/Skalierbarkeit identisch zu handcoierter synchron-Version

22 Speed-up

23 Barrier Synchronisation auf Workstation Cluster Daten asynchron, ohne Barrier pax: ohne Barrier psx: mit Barrier

24 Zusammenfassung