基于 CPU-GPU 异构平台的第一性原理密度泛函理论高性能计算.pdf

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1、胡伟合肥微尺度物质科学国家研究中心中国科学技术大学基于CPU-GPU异构平台的第一性原理密度泛函理论高性能计算目录 3第一性原理功能材料设计和计算模拟 2CPU-MPI和GPU-CUDA异构并行计算 1第一性原理密度泛函理论简介 3 理论计算化学分子动力学催化光谱固体材料生物药物应用需求广泛体系错综复杂实验计算理论研究领域：理论与计算化学基于第一性原理（量子力学）的理论计算方法不需要任何实验参数，只需要原子结构和一些基本物理常量揭示物质的本质和调控物质的特性设计新型先进功能材料并预测新奇性质模拟并解释实验新现象，分析本征物理化学机制 1 4 生物体系固液

2、界面密度泛函理论 Kohn-Sham方程如何算得更准、更快、更大 1 5 如何实现大规模密度泛函理论计算？ Kohn-Sham方程基础前沿交叉：量子力学、理论化学、数值算法、高性能并行计算第一原理计算对于材料、能源、环境、生物等领域的重要意义如何算得更准、更快、更大？准：第一性原理密度泛函理论大：低标度计算（线性标度）快：高性能计算和超级计算机先进功能材料和能源材料高性能计算软件与大数据平台 1 软件高性能计算超级计算机实验计算理论 6 单核时代的摩尔定律 CPU时钟频率每18个月翻一番 CPU制造工艺逐渐接近物理极限功耗和发热成为巨大的障碍 2 7 GPU vs

3、 CPU 设计重心转向到多核异构的集成技术 GPU是一种特殊的多核处理器更强的浮点计算能力、存储器带宽 2 8 CPU-GPU异构平台 CPU：Latency-Oriented 更多资源用于缓存和逻辑控制 GPU：High Throughput-Oriented 更多资源用于计算，适用于高并行性、大规模数据密集型、可预测的计算模式 CPU-GPU异构平台：结合两者优势加速第一性原理计算 2 data from https:/ 9 计算软件：国内外研究现状美国伯克利国家实验室和中科院超算软件运行统计欧美垄断：通用计算软件种类繁多、功能强大、使用广泛卡脖子：国内缺少独立研发的、完整的、通用的科学计算软件第一性原理计算材料模拟占主导地位瓶颈：VASP排名第一，模拟数百原子体系，小规模千核并行计算 2 10 开发第一性原理高性能计算软件 PWDFT: Plane-Wave Densi

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