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《武汉理工大学》 2010年
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基于GPU的分子动力学模拟方法研究

刘丹  
【摘要】: 随着集成电路技术的发展,图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)的发展相当迅速,GPU的计算能力及存储器带宽均已大大超过目前主流CPU。将GPU作为CPU的协处理器完成大规模数据密集型的计算任务,相对于集群和超级计算机的实现,具有很高的每瓦特性能、每平方英尺性能和性能/价格比。另一方面,分子动力学(Molecular Dynamics, MD)模拟作为研究复杂凝聚态系统的有力工具,广泛应用于物理、化学、生物、材料、医学等各个领域,但计算能力一直是制约其研究发展的瓶颈。因此,本文基于CUDA (Computer Unified Device Architecture,统一计算设备架构)平台,利用GPU完成分子动力学模拟具有重要的理论意义和现实意义。 本文在对基于CUDA的GPU并行计算技术和分子动力学模拟方法进行深入研究的基础上,将GPU与分子动力学模拟相结合,选取模拟耗时90%的分子间作用力计算部分,给出了基于CUDA的并行计算模型,分析了并行计算方法,给出了基于GPU的分子动力学模拟算法流程,通过在Intel Dual-Core 2.93GHzCPU和GeForce GTS 250 GPU上进行了实现,测试结果表明GPU带来了20倍的加速效果。在分析分子间作用力并行计算模型不足的基础上,给出了一种改进的并行计算方法,并以测试结果说明了改进方法的有效性。 分子动力学模拟的目的是获取宏观统计物理量,热力学量就是一种常见的物理量。本文研究了GPU加速的热力学量提取方法,给出了热力学量提取的CUDA并行化模型和算法流程,进行了CUDA并行实现和测试。结果表明,在误差极小的情况下,基于GPU的热力学量提取得到了190倍的速度提升。 径向分布函数(radial distribution function, RDF)也是一种常见的物理量,用来研究物质的有序性和电子的相关性。本文研究了GPU加速的RDF提取方法,将邻近分子搜索算法映射为GPU线程并行处理过程,给出了邻近分子搜索的CUDA并行计算模式。测试结果表明,GPU的加速比为360,且计算结果的误差为零。基于GPU的RDF提取方法研究,为GPU在光滑粒子流动动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)方法、N-body问题、生命科学、纳米技术等方面的应用奠定了基础。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TP391.41

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 刘丹;陈捷捷;;基于CUDA的邻近粒子搜索算法研究[J];计算机工程与应用;2012年18期
中国硕士学位论文全文数据库 前4条
1 胡佳;H.264视频编码的并行实现[D];湖南师范大学;2011年
2 贾志春;GPU运算在STM模拟中的应用[D];中国科学技术大学;2011年
3 刘丽;GPU并行技术在矩阵运算及正则模式分析中的应用[D];华东理工大学;2012年
4 张滔;基于流处理器的分子动力学模拟的优化方法研究[D];昆明理工大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前8条
1 赵素;李金富;周尧和;;分子动力学模拟及其在材料科学中的应用[J];材料导报;2007年04期
2 宋国梁;翁经纬;李振华;王文宁;范康年;;分子动力学模拟计算在通用图形处理芯片上的实现[J];高等学校化学学报;2008年12期
3 申海兰;赵靖松;;分子动力学模拟方法概述[J];装备制造技术;2007年10期
4 吴恩华,柳有权;基于图形处理器(GPU)的通用计算[J];计算机辅助设计与图形学学报;2004年05期
5 张浩;李利军;林岚;;GPU的通用计算应用研究[J];计算机与数字工程;2005年12期
6 刘正华;杨决宽;陈云飞;;分子动力学并行算法的优化与应用[J];计算机应用研究;2008年03期
7 崔守鑫,胡海泉,肖效光,黄海军;分子动力学模拟基本原理和主要技术[J];聊城大学学报(自然科学版);2005年01期
8 吴江涛,刘志刚,赵小明;分子动力学模拟中不同短程作用力计算方法的效率研究[J];西安交通大学学报;2002年05期
中国硕士学位论文全文数据库 前5条
1 张庆丹;基于GPU的串匹配算法的实现[D];中国科学院研究生院(计算技术研究所);2006年
2 徐山;一种基于图形处理器运用FFT算法生成海洋表面的方法[D];北京大学;2007年
3 黄敬磊;GPU通用计算中的数据结构组织与应用研究[D];解放军信息工程大学;2007年
4 彭俊杰;基于CUDA平台地震数据处理研究[D];湖南大学;2009年
5 张舒;模式识别并行算法与GPU高速实现研究[D];电子科技大学;2009年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 黄灿灿;李丽洁;陈树森;金韶华;袁柳;陈腾霄;;3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮、1,1-二氨基-2b,2-二硝基乙烯和黑索今对β-奥克托金晶体形貌影响的分子动力学模拟研究[J];兵工学报;2010年10期
2 徐品;蓝善祯;刘兰兰;;利用GPU进行通用数值计算的研究[J];中国传媒大学学报(自然科学版);2009年02期
3 李立新;叶剑;余洋;;基于GPU的MD6算法快速实现[J];北京工业大学学报;2010年05期
4 陈红倩;李凤霞;黄天羽;战守义;;一种基于动态纹理的运动场景可视化方法[J];北京理工大学学报;2009年06期
5 李伟伟;王健;陈轶;王钲旋;;火焰实时模拟的新算法[J];吉林大学学报(信息科学版);2008年06期
6 杨靖宇;张永生;张宏兰;纪松;;基于可编程图形硬件的遥感影像并行处理研究[J];测绘工程;2008年03期
7 吴聪颖;段芳莉;郭其超;;多尺度方法在微/纳接触行为模拟中的应用进展[J];材料导报;2011年15期
8 黄玉龙;刘明波;;应用图形处理器实现无功优化并行计算[J];电工技术学报;2011年11期
9 李建明;万单领;何荣盛;钱昆明;;一种基于GPU加速的图像颜色传递算法[J];大连理工大学学报;2008年02期
10 王梦雪;陶卫;杨金峰;吴芳;赵辉;王卫东;任盛伟;;基于GPU的高速铁路扣件实时探测技术[J];大连交通大学学报;2011年06期
中国重要会议论文全文数据库 前9条
1 李瑞瑞;高小鹏;龙翔;;用GPU加速Cache模拟[A];2007北京地区高校研究生学术交流会通信与信息技术会议论文集(上册)[C];2008年
2 焦龙;郭亚红;纪守领;李金宝;;基于多核计算机的分子动力学并行算法的实现[A];黑龙江省计算机学会2009年学术交流年会论文集[C];2010年
3 李蔚清;苏智勇;杨正龙;吴慧中;;一种复杂目标RCS估计的快速仿真方法[A];2007系统仿真技术及其应用学术会议论文集[C];2007年
4 陈琰;高月芳;朱同林;;基于顶点属性的三维网格模型混合平滑算法[A];计算机技术与应用进展·2007——全国第18届计算机技术与应用(CACIS)学术会议论文集[C];2007年
5 罗月童;薛晔;刘晓平;;基于GPU的多分辨率体数据重构技术研究[A];计算机技术与应用进展·2007——全国第18届计算机技术与应用(CACIS)学术会议论文集[C];2007年
6 谢文军;陈皓;刘晓平;;基于GPU的实时水面模拟方法研究[A];全国第19届计算机技术与应用(CACIS)学术会议论文集(上册)[C];2008年
7 陈皓;刘晓平;;基于投影距离的改进软阴影生成算法[A];全国第19届计算机技术与应用(CACIS)学术会议论文集(下册)[C];2008年
8 林旭生;田绪红;冯志炜;陈茂资;;GPU加速的蚁群算法在HP模型中的应用[A];第十四届全国图象图形学学术会议论文集[C];2008年
9 倪胜巧;唐常杰;王有为;李川;张悦;曾春秋;唐良;;基于GPU的基因表达式编程性能提升技术[A];第二十五届中国数据库学术会议论文集(二)[C];2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王平利;塑料包装材料中迁移物扩散系数的分子动力学研究[D];暨南大学;2010年
2 吴锋;基于GPU并行计算的数值模拟与燃煤锅炉系统的优化研究[D];浙江大学;2010年
3 张帆;基于MPI和GPU直流电法和大地电磁法三维正演的并行算法研究[D];中国地质大学(北京);2011年
4 刘建元;烧结过程中微观结构演变行为的Monte Carlo模拟[D];中南大学;2011年
5 张世良;硅熔化与快速凝固过程的模拟研究[D];燕山大学;2010年
6 陈永健;基于内容的大规模图像检索关键技术研究[D];华中科技大学;2011年
7 唐滔;面向CPU-GPU异构并行系统的编程模型与编译优化关键技术研究[D];国防科学技术大学;2012年
8 陈俊;近海海浪的仿真研究[D];武汉理工大学;2011年
9 夏明亮;高精度人眼像差哈特曼探测器的研制[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2011年
10 陈慧琴;含氟丙烯酸酯共聚物结晶性及表面润湿性研究[D];华南理工大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 马培鸽;微孔塑料气泡成核过程分子动力学分析[D];郑州大学;2010年
2 高振兴;聚合物/微孔混合体系粘度的分子动力学计算[D];郑州大学;2010年
3 韩君;近期数据流频繁项集挖掘[D];大连理工大学;2010年
4 魏卓群;GPU并行免疫算法在冷轧生产调度中的应用[D];大连理工大学;2010年
5 梁霞;基于GPU的H.264并行解码器设计[D];大连理工大学;2010年
6 吕艳;反走样技术和滤波技术在地图可视化表达中的应用[D];辽宁工程技术大学;2009年
7 付浩生;交互式海洋动漫平台场景特效制作[D];中国海洋大学;2010年
8 李燕;纳米碳管的盐水通道行为研究[D];中国海洋大学;2010年
9 王涛;基于GPU的程序分析与并行化研究[D];解放军信息工程大学;2010年
10 姜晓希;视频内容敏感的动态字幕添加[D];浙江大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 孟庆磊;姚春莲;宋建斌;李炜;;一种面向H.264/AVC的快速帧内预测选择算法[J];北京航空航天大学学报;2007年02期
2 赵素;李金富;周尧和;;分子动力学模拟及其在材料科学中的应用[J];材料导报;2007年04期
3 吴晓军;白世军;卢文涛;;基于H.264视频编码的运动估计算法优化[J];电子学报;2009年11期
4 金怡濂,黄永勤,陈左宁,桂亚东,漆锋滨;高性能计算机的关键技术和发展趋势[J];中国工程科学;2001年06期
5 宋国梁;翁经纬;李振华;王文宁;范康年;;分子动力学模拟计算在通用图形处理芯片上的实现[J];高等学校化学学报;2008年12期
6 贺克军;梁齐;;H.264中运动估计算法研究与对比[J];广西工学院学报;2007年S1期
7 李春艳;刘华;刘波涛;;分子动力学模拟基本原理及研究进展[J];广州化工;2011年04期
8 刘丽;沈杰;李洪林;;基于GPU的矩阵求逆性能测试和分析[J];华东理工大学学报(自然科学版);2010年06期
9 陈飞国;葛蔚;李静海;;复杂多相流动分子动力学模拟在GPU上的实现[J];中国科学(B辑:化学);2008年12期
10 倪红霞;范志浩;;基于邻块预测的H.264快速帧内预测模式选择算法[J];江南大学学报(自然科学版);2010年04期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 李纯莲;药物设计中分子对接优化设计的算法和软件研究[D];大连理工大学;2004年
2 李晖;高性能计算机若干关键问题研究[D];中国科学技术大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 金鹭;基于GPU的表面形貌测量系统的研究[D];浙江大学;2011年
2 康健超;基于GPU的器官体数据光线投射算法研究[D];西北大学;2011年
3 汤方义;基于OpenCV和CUDA的车牌识别系统的软件设计与实现[D];吉林大学;2011年
4 张鹏;基于GPU的并行AES加密算法实现[D];吉林大学;2011年
5 夏春芬;基于GPU高性能计算的人脸表情识别算法的研究[D];武汉理工大学;2011年
6 刘景松;H.265自适应插值滤波器的研究与CUDA优化[D];北京邮电大学;2011年
7 胡晓玲;H.264/AVC视频压缩编码在CUDA平台上的并行实现[D];北京邮电大学;2011年
8 张挺;基于粒子模拟问题的GPU高性能计算系统[D];复旦大学;2010年
9 刘福东;面向MPI程序的进程数据相似性分析与优化技术[D];国防科学技术大学;2010年
10 张倩;CUDA平台上序列比对并行软件的优化[D];中国科学技术大学;2011年
【二级引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 刘丽;GPU并行技术在矩阵运算及正则模式分析中的应用[D];华东理工大学;2012年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 谢佳,邓洁,史鸿运;液态Al_2O_3结构的分子动力学模拟[J];北京化工大学学报(自然科学版);2005年03期
2 张钋,李幼铭,刘洪;几类叠前深度偏移方法的研究现状[J];地球物理学进展;2000年02期
3 刘喜武,刘洪;波动方程地震偏移成像方法的现状与进展[J];地球物理学进展;2002年04期
4 吕小林,刘洪;波动方程深度偏移波场延拓算子的快速重建[J];地球物理学进展;2005年01期
5 王维红,刘洪;抛物Radon变换法近偏移距波场外推[J];地球物理学进展;2005年02期
6 刘光鼎;张丽莉;祝靓谊;;试论复杂地质体的油气地震勘探[J];地球物理学进展;2006年03期
7 李景叶;陈小宏;芮振华;;基于匹配滤波的多次波压制方法研究[J];地球物理学进展;2007年01期
8 陈志德,刘桭宽,李成斌;三维叠前深度偏移速度分析及蒙特卡洛自动层速度拾取[J];地球物理学报;2002年02期
9 陈生昌;马在田;;广义地震数据合成及其偏移成像[J];地球物理学报;2006年04期
10 陈生昌;马在田;;波动方程的高阶广义屏叠前深度偏移[J];地球物理学报;2006年05期
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 张庆丹;基于GPU的串匹配算法的实现[D];中国科学院研究生院(计算技术研究所);2006年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 吴强;杨灿群;葛振;陈娟;;使用GPU加速分子动力学模拟中的非绑定力计算[J];计算机工程与科学;2009年S1期
2 费辉;张云泉;王可;许亚武;;基于GPU的分子动力学模拟并行化及实现[J];计算机科学;2011年09期
3 刘金娟;张东晨;巩天宁;李涛;;流水线技术及并行计算在GPU中的应用分析[J];软件导刊;2008年09期
4 李建明;吴云龙;何荣盛;钱昆明;;基于粒子系统和GPU加速的喷泉实时仿真[J];系统仿真学报;2009年10期
5 程思远;米婷;吴宇亮;杜江斌;;CUDA并行数据压缩技术研究[J];电脑知识与技术;2011年05期
6 汤伟宾;;GPU并行技术在口令恢复中的应用[J];电信科学;2010年S2期
7 陆建勇;曹雪虹;焦良葆;;基于GPU交互式光线跟踪算法的设计与实现[J];南京工程学院学报(自然科学版);2009年03期
8 徐鹏;魏紫;;N-Body问题在CUDA平台上并行实现研究[J];科技信息;2009年27期
9 王健;许明;葛蔚;李静海;;单相流动数值模拟的SIMPLE算法在GPU上的实现[J];科学通报;2010年20期
10 刘昊;;基于异构平台的细胞神经网络算法研究[J];电子质量;2010年12期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 石静;李晓霞;刘文志;郭力;;Particle-Mesh-Ewald(PME)算法在GPU上的实现[A];中国化学会第28届学术年会第14分会场摘要集[C];2012年
2 张文生;王渊;叶家元;;分子动力学模拟水化硅酸钙中铝部分取代硅后结构的变化[A];中国硅酸盐学会水泥分会第三届学术年会暨第十二届全国水泥和混凝土化学及应用技术会议论文摘要集[C];2011年
3 刘文志;李晓霞;聂峰光;李伯杨;郭力;余翔;杨小震;杨文泓;王思邈;;建立基于GPU的分子动力学模拟程序GMD的尝试[A];第十一届全国计算(机)化学学术会议论文摘要集[C];2011年
4 韩晨;王建平;;非天然氨基酸与生物水相互作用的从头算分子动力学模拟[A];第一届全国生物物理化学会议暨生物物理化学发展战略研讨会论文摘要集[C];2010年
5 刘小明;由小川;庄茁;;纳米摩擦过程的分子动力学模拟[A];北京力学会第14届学术年会论文集[C];2008年
6 孔祥谦;欧阳斯盛;梁中洁;叶飞;陈丽敏;罗成;蒋华良;;赖氨酸特异性去甲基化酶1催化反应机制的理论研究[A];第十一届全国计算(机)化学学术会议论文摘要集[C];2011年
7 徐文生;孙昭艳;安立佳;;硬球胶体结晶行为的分子动力学模拟[A];中国化学会第28届学术年会第15分会场摘要集[C];2012年
8 王华;苑世领;;分子动力学模拟研究表面活性剂与聚合物之间的相互作用[A];中国化学会第十三届胶体与界面化学会议论文摘要集[C];2011年
9 孙倩;陈景文;盛连喜;;柠檬酸在富勒烯表面吸附的分子动力学模拟研究[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年
10 朱卫华;肖鹤鸣;;含能晶体叠氮化银温度行为的从头算分子动力学模拟[A];中国化学会第28届学术年会第13分会场摘要集[C];2012年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 严天秀;昆明新机场全球首安“GPU”[N];昆明日报;2010年
2 电脑报 朱文利;GPU助力,高性能计算机“异构化”[N];电脑报;2009年
3 本报记者 宋家雨;GPU还是CPU? 高性能计算的一个问题![N];网络世界;2010年
4 ;GPU市场Q2创八年最大增幅[N];计算机世界;2009年
5 刘颖;PCI-E3.0帮GPU开发“副业”[N];电脑报;2010年
6 本报记者 霍光;GPU计算逐渐大规模商用[N];中国计算机报;2009年
7 游讯;图形处理器GPU[N];人民邮电;2011年
8 记者 刘欢;全国首个GPU计算应用测试中心在京成立[N];北京日报;2011年
9 李大庆;首套分布式GPU超级计算系统启用[N];中国技术市场报;2010年
10 本报记者 霍光;CPU集成GPU挑战主板设计[N];中国计算机报;2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 陶进;乙酰辅酶A羧化酶的羧基转移酶功能域的理论计算研究[D];吉林大学;2010年
2 韩秀丽;氢在钛晶体中作用的第一原理计算和分子动力学模拟研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
3 崔新林;冲击波压缩下铁的结构相变及微观机理研究[D];中国矿业大学(北京);2009年
4 梁苏会;基于多体势的分子动力学研究合金系统晶态—非晶态相变[D];清华大学;2010年
5 高虹;冷喷涂中激波及粒子沉积过程研究[D];重庆大学;2010年
6 王小清;CLC氯通道蛋白的结构与功能关系的研究[D];武汉大学;2010年
7 张世良;硅熔化与快速凝固过程的模拟研究[D];燕山大学;2010年
8 左光宏;纳米颗粒与环境水结构对蛋白质构象影响的分子动力学模拟研究[D];复旦大学;2010年
9 孔哲;硅/二氧化硅表面自组装单分子膜的性质、制备及应用研究[D];浙江大学;2011年
10 王金照;汽泡成核的分子动力学研究及纳米颗粒对成核的影响[D];清华大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘丹;基于GPU的分子动力学模拟方法研究[D];武汉理工大学;2010年
2 杜雄杰;硅团簇结构硅团簇结构、形变以及相应力学特性的分子动力学模拟[D];河北科技大学;2010年
3 章伟;氧化铝基纳米陶瓷刀具材料界面分子动力学模拟研究[D];山东大学;2010年
4 雷海东;纳米级粗糙表面粘着接触行为的分子动力学模拟[D];重庆大学;2010年
5 张玉新;混合量子经典方法研究蛋白质与配体的相互作用[D];山东师范大学;2010年
6 梁晓风;一维纳米孔道材料中扩散的分子动力学模拟[D];中北大学;2011年
7 赵涛涛;阴离子表面活性剂与无机盐的相互作用[D];山东大学;2010年
8 唐静;溴化锂溶液性质的分子动力学模拟[D];大连理工大学;2011年
9 周登山;功能化石墨烯/聚合物体系的分子间相互作用力的分子动力学模拟研究[D];中国石油大学;2010年
10 郭风晨;纳米尺度双金属轧制的分子动力学模拟[D];燕山大学;2011年
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