Sustainable domain-specific software generation tools for extremely parallel particle-based simulations

可持续的特定领域软件生成工具,用于极其并行的基于粒子的模拟

基本信息

  • 批准号:
    EP/I006761/1
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 55.96万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Research Grant
  • 财政年份:
    2010
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2010 至 无数据
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This research project emerged from the EPSRC Sandpit on Extreme Computing that took place in Jan 2010. The sandpit process facilitated discussion between a group of chemists and civil engineers who all use particle-based numerical simulation approaches. The applications motivating these scientists' simulations vary greatly (from quantum mechanics to dam engineering), very different scales are simulated (atoms in some cases, mm sized sand particles in others) and the interactions between the particles are modelled in significantly different ways. However all of the methods have a common basis (they simulate particles and their interactions) and they all require implementation in a high performance computing (HPC) environment. In fact the similarities in the simulation approach mean that there are key common challenges to achieving effective HPC implementations. Recent and likely future developments in HPC are making massively parallel computations viable; consequently there is a real possibility of achieving a step change in the level of complexity and realism in these numerical models with huge impact on industry and society. However, at the same time, the increased complexity of HPC hardware poses a barrier to being able to fully harness this resource. Working with the chemists and engineers, two computer scientists developed a strategy to address these challenges. The proposed approach is to develop a new Particle Science Language (PSL) to act as a bridge between the scientists who are developing particle based models and the computer science required to implement them in a rapidly evolving HPC environment. The scientists and engineers will implement their physical models in this relatively simple PSL and an automatic code generation system then automatically generate optimized code to effectively run the simulations on high performance systems. The research strategy is to rapidly develop the first implementation of the PSL and prototype it on micron to millimetre scale Discrete Element Modelling (DEM) dynamics code. From this early foundation, we will develop the PSL, with the key objectives of demonstrating generality in the breadth of applications within the particulate dynamics domain and portability to multiple HPC architectures. A range of particle based methods (PBM) are currently used to simulate materials in chemistry, engineering, physics and biophysics. The 4 types of PBM considered directly in the proposed are molecular dynamics (MD), the ONETEP quantum mechanics-based program, discrete element modelling (DEM), and smoothed particle hydrodynamics (SPH). The overall research objective is to develop a sustainable tool that will deliver, in the future, cutting edge research applicable to applications ranging from dam engineering to atomistic drug design. Measureable achievements will also be made during the current project. In fact, we anticipate at least 3 physical science firsts in the project lifetime:(1) The first protein drug simulations that describe the entire protein-drug complex and solvent from first principle quantum mechanics.(2) The first rationalization, at an atomic level, of polymer solubility in CO2, with chemical accuracy. (3) Simulation of the vibrational spectrum of a carbon nanotube from first principles quantum mechanics.(4) Simulation of triaxial compression tests with 1,000,000 particles From a Computer Science perspective the project will lead to a novel high-level compiler optimisation framework that captures dependence, data distribution and loop nest optimisation in a context of highly-irregular data structures beyond the scope of classical approaches such as the polyhedral model, or even new results in shape analysis and ownership-type abstractions.
这项研究项目产生于2010年1月举行的EPSRC极限计算沙坑。沙坑过程促进了一群化学家和土木工程师之间的讨论,他们都使用基于粒子的数值模拟方法。激发这些科学家进行模拟的应用差异很大(从量子力学到大坝工程),模拟的尺度非常不同(在某些情况下,原子,在另一些情况下,毫米尺寸的沙粒),粒子之间的相互作用以显著不同的方式建模。然而,所有的方法都有一个共同的基础(它们模拟粒子及其相互作用),并且它们都需要在高性能计算(HPC)环境中实现。事实上,模拟方法的相似性意味着在实现有效的HPC实现方面存在关键的共同挑战。HPC的最新和可能的未来发展使大规模并行计算成为可能;因此,在这些对工业和社会产生巨大影响的数值模型中,实现复杂性和现实性水平的阶梯变化是真正有可能的。然而,与此同时,HPC硬件的复杂性增加对充分利用这一资源构成了障碍。两名计算机科学家与化学家和工程师合作,制定了一项应对这些挑战的策略。建议的方法是开发一种新的粒子科学语言(PSL),作为正在开发基于粒子的模型的科学家和在快速发展的高性能计算环境中实现这些模型所需的计算机科学之间的桥梁。科学家和工程师将在这个相对简单的PSL和自动代码生成系统中实现他们的物理模型,然后自动生成优化的代码,以便在高性能系统上有效地运行模拟。研究战略是快速开发PSL的第一个实现,并在微米到毫米尺度的离散元建模(DEM)动力学代码上将其原型。在这个早期的基础上,我们将开发PSL,主要目标是展示粒子动力学领域内应用程序的广度和可移植到多个HPC架构。目前,一系列基于粒子的方法(PBM)被用于模拟化学、工程、物理和生物物理中的材料。建议中直接考虑的4种PBM是分子动力学(MD)、基于ONETEP量子力学的程序、离散元模拟(DEM)和光滑粒子流体动力学(SPH)。总体研究目标是开发一种可持续的工具,在未来提供适用于从大坝工程到原子药物设计等应用的尖端研究。在目前的项目期间,也将取得可衡量的成就。事实上,我们预计在该项目的生命周期中至少有三个物理科学第一:(1)第一次从第一性原理量子力学描述整个蛋白质-药物复合体和溶剂的蛋白质药物模拟。(2)第一次在原子水平上合理化聚合物在二氧化碳中的溶解度,并具有化学准确性。(3)从第一性原理量子力学模拟碳纳米管的振动光谱。(4)从计算机科学的角度模拟1,000,000个粒子的三轴压缩测试。该项目将导致一个新颖的高级编译器优化框架,该框架将在高度不规则的数据结构的背景下捕获依赖、数据分布和循环嵌套优化,超出了传统方法的范围,例如多面体模型,甚至在形状分析和所有权类型抽象方面的新结果。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
The Design and Implementation of a Verification Technique for GPU Kernels
GPU内核验证技术的设计与实现
A sound and complete abstraction for reasoning about parallel prefix sums
用于推理并行前缀和的合理且完整的抽象
  • DOI:
    10.1145/2535838.2535882
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Chong N
  • 通讯作者:
    Chong N
Implementing and Evaluating Candidate-Based Invariant Generation
实现和评估基于候选的不变生成
Languages and Compilers for Parallel Computing
用于并行计算的语言和编译器
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2008
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Cornwall J
  • 通讯作者:
    Cornwall J
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  • DOI:
    10.1145/2544173.2509517
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Chong N
  • 通讯作者:
    Chong N
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  • 通讯作者:
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知道了