[发明专利]基于GPU并行运算的碳纳米管分子动力学仿真方法

权利要求书

1.基于GPU并行运算的碳纳米管分子动力学仿真方法，其特征在于包括以下步骤：

1)由数据库文件构造碳纳米管系统模型，该模型由碳纳米管和设置在碳纳米管内部的C60分子组成，对模型进行初始化，读取模型中所有粒子的速度和位置坐标；

2)C60分子受到碳纳米管管壁上碳粒子产生的力，在平衡位置上来回振动，当C60分子处于平衡状态时，在碳纳米管的前、后两端同时分别设置不同温度的条件进行模拟，并设定模拟时间，使碳纳米管管壁上碳粒子和C60分子的速度和位置不断发生变化，进而使C60分子的受力、运动状态和能量不断发生变化；

3)在CUDA平台上对碳纳米管进行分割，分割成多层相互独立的计算单元，采用CPU遍历计算单元进行轮转计算得到可并行运算队列，再调度GPU的流处理单元，采用Verlet算法进行并行运算和处理；

4)重复执行步骤3)，直至模拟时间结束，采用数据库文件记录相关数据，输出C60分子随着模拟时间的运行轨迹，并描绘碳纳米管内随着能量传递的温度变化曲线图，完成仿真过程。

2.根据权利要求1所述的基于GPU并行运算的碳纳米管分子动力学仿真方法，其特征在于：所述碳纳米管为层状中空结构，由多个六边形碳环结构组成；所述C60分子有一个或多个。

3.根据权利要求1或2所述的基于GPU并行运算的碳纳米管分子动力学仿真方法，其特征在于：所述步骤2)中，采用Gaussian热浴模拟法在碳纳米管的前、后两端分别设置不同温度的热浴条件，并设定热浴时间作为模拟时间。

4.根据权利要求3所述的基于GPU并行运算的碳纳米管分子动力学仿真方法，其特征在于：所述步骤3)中，采用CPU遍历计算单元进行轮转计算具体如下：

a)若所有粒子均已作为中心计算粒子，跳到步骤h)；

b)按次序找到第一个非竞争粒子并没有按中心计算的粒子，加入可并行运算队列；

c)标记该粒子的所有近邻为本并行队列一度不可并行粒子，若近邻已经是二度不可并行粒子，则提升为一度不可计算；

d)标记该粒子所有次邻为本并行队列二度不可并行粒子，若次邻为一度不可并行粒子，则不修改其度数；

e)标记本粒子为已按中心计算粒子；

f)是否已遍历到粒子队尾？若是继续执行，若否跳到步骤a)；

g)下一个可并行队列开始，返回步骤b)；

h)结束。

5.根据权利要求4所述的基于GPU并行运算的碳纳米管分子动力学仿真方法，其特征在于：所述步骤3)中，采用Verlet算法进行并行运算和处理具体如下：

a)按碳纳米管系统模型所有粒子的位置，计算近邻粒子以及次邻粒子间的键关系和角度关系；

b)调度GPU的流处理单元，并行计算被分割在不同计算单元里的粒子，并积累计算碳纳米管管壁上内每个粒子与其近邻粒子的相互作用力；

c)根据C60分子所在区域，计算C60分子内每个粒子与其所在碳纳米管区域中的每个粒子的相互作用力；

d)根据粒子所受到的力及其速度，更新粒子位置，再执行步骤b)和c)；

e)根据粒子所受到的力，计算粒子本次速度及碳纳米管前、后两端热浴的热流值；

f)若达到循环频数，则计算结束；否则，在CPU端间隔保存粒子的数据，返回步骤d)。

6.根据权利要求5所述的基于GPU并行运算的碳纳米管分子动力学仿真方法，其特征在于：所述步骤3)中，Verlet算法具体设计如下：

a)将x(t+Δt)和x(t-Δt)进行泰勒展开如下式所示：

x→(t+Δt)=x→(t)+v→(t)Δt+a→(t)Δt22+b→(t)Δt32+O(Δt4)---(1)]]>

x→(t-Δt)=x→(t)-v→(t)Δt+a→(t)Δt22-b→(t)Δt32+O(Δt4)---(2)]]>

其中，x(t+Δt)表示为前一时刻的位置，x(t-Δt)表示为后一时刻的位置；

b)将式(1)和式(2)相加，得到位置表达式如下：

x→(t+Δt)=2x→(t)-x→(t-Δt)+a→(t)Δt2+O(Δt4)---(3)]]>

在已知碳纳米管系统模型粒子当前时刻t的位置和加速度，以及前一时刻t-Δ的位置的情况下，推算出下一时刻t+Δt的位置；

c)将式(1)和式(2)相减，再两边同时除以2Δt，获得速度的表达式如下：

v→(t)=x→(t+Δt)-x→(t-Δt)2Δt+O(Δt2)---(4)]]>

在已知碳纳米管系统模型粒子前一时刻t-Δt的位置和后一时刻t+Δt的位置的情况下，推算出当前时刻t的速度v(t)；

d)由式(1)～(4)，在已知粒子t-2Δt时刻的位置、t-Δt时刻的位置和t-Δt时刻的加速度的情况下，启动Verlet算法进行积分：根据t-2Δt时刻的位置、t-Δt时刻的位置和t-Δt时刻的加速度，将t＝t-Δt代入式(3)，获得当前时刻t的位置；根据当前时刻t的位置，基于一定的势函数更新当前时刻t的加速度；同时，根据当前时刻t的位置和t-2Δt时刻的位置，将t＝t-Δt代入式(4)，更新t-Δt时刻的速度；即得到粒子当前时刻t的位置、t-Δt时刻的速度和t时刻的加速度，重复执行该步骤。