LAMMPScuda - a new GPU accelerated Molecular Dynamics Simulations Package and its Application to Ion-Conducting Glasses
Christian Robert Trott · Common Library Network (Der Gemeinsame Bibliotheksverbund) · 2012
Computersimulationen sind heute ein fundamentaler Bestandteil von Forschung und Entwicklung. In den letzten Dekaden wurden die Grenzen dessen, was modelliert werden kann, durch die kontinuierliche Steigerung der verfügbaren Rechenleistung dramatisch erweitert. Aufgrund der stagnierenden seriellen Rechenleistung heutiger Prozessoren müssen zukünftige Leistungsgewinne mittels Parallelisierung erreicht werden. Insbesondere heterogene Hardware-Architekturen werden immer wichtiger, da sie inhärente Vorteile im Bereich der Energieeffizienz aufweisen. Zur Zeit wird dieser Bereich durch von Grafikkarten beschleunigte Systeme dominiert. Aufgrund ihres fünf- bis zehnfachen Energie- und Kosteneffizienz haben auf Grafikkarten basierte Supercomputer seit ihrer Einführung im Jahr 2008 schnelle Verbreitung gefunden. Mittlerweile beziehen drei der fünf schnellsten Computer der Welt einen Großteil ihrer Rechenleistung aus Grafikkarten. Um derartige Systeme effizient zu nutzen sind jedoch neue Programmierungsansätze notwendig. In dieser Arbeit wird ein neuer Molekular-Dynamik-Code namens LAMMPScuda vorgestellt. LAMMPScuda verwendet Grafikkarten um Simulationen verschiedenster Materialklassen zu beschleunigen. Dazu gehören biologische Systeme, Halbleiter, Metalle, inorganische Gläser und Polymersysteme. Es werden sowohl Details der Implementierung vorgestellt als auch umfangreiche Leistungsuntersuchungen präsentiert. Diese zeigen, dass LAMMPScuda sowohl auf einzelnen PCs als auch auf Großrechnern mit hunderten Grafikkarten effizient laufen kann. Im zweiten Teil der Arbeit wird LAMMPScuda verwendet, um ein neues Potential für ionenleitende Gläser der Zusammensetzung xLi2O-yB2O3-zSi2O4-wP2O5 zu entwickeln. Wie sich zeigt, kann das neue Potential - das mit BC-U bezeichnet wird - nicht nur strukturelle sondern auch dynamische experimentelle Daten verschiedener binärer Gläser über den gesamten Kompositionsbereich besser reproduzieren als zum Vergleich herangezogene etablierte Potentiale.Zudem tritt in Simulationen von Borophosphaten der sogenannte Mischnetzwerkformer-Effekt auf. Damit ist das BC-U Potential prädestiniert dafür, zur Verifizierung von Theorien der mikroskopischen Ursachen dieses Effektes eingesetzt zu werden.