[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管分析动力学仿真方法，尤其是一种基于GPU并行运算的碳纳米管分子动力学仿真方法，属于仿真技术领域。

背景技术

在碳纳米管分子动力学仿真过程中，由于其运算中涉及超大规模的分子量及大量的复杂的浮点运算，使得碳纳米管分子动力学模拟需要极强的计算能力。因为碳纳米管由大量分子构成，其模拟仿真中涉及大量的浮点运算，随着分子动力学仿真规模的扩大，仿真结果的可视化也非常重要。对于这些碳纳米管分子动力学模拟系统来说，提高仿真算法的浮点运算能力和并行计算能力具有重大作用。

在新兴的纳米工程领域，建立在连续介质基础上的宏观机理很难解释纳米工程中出现的一些特殊现象，因而分子动力学方法成为重要的研究手段之一。碳纳米管分子动力学仿真，主要通过牛顿力学模拟碳纳米管体系的运动，在其不同状态时的数据集合中抽取数据样本，从而计算碳纳米管体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算碳纳米管体系的热力学量和其他宏观性质，从而高效仿真碳纳米管系统。但碳纳米管分子动力学仿真算法受计算能力两大局限：其一是极小空间内包括极大量粒子，计算量极大；其二是为保证数值模拟稳定性，典型的分子动力学时间步长为飞秒(fs)级，对计算机性能要求高。

受限于计算机性能的发展，为扩大仿真算法规模，国内外许多专家学者对分子动力学仿真算法做了大量研究。由最初扩大单机规模的串行算法，发展到现在通过将计算任务分配给多个CPU而扩大模拟规模的并行算法，可以模拟的规模由最初的几千个原子提高到上百万、上千万甚至到上亿个原子的规模。虽然CPU的计算能力已经非常强大，但对于具有实际意义的超大规模的模拟系统来说，其运行速度还远不能满足实际需求，而且对于其批量处理碳，单CPU的串行实现效率相对来说也比较低。因此，大规模的碳纳米管分子动力学仿真算法需要进一步突破。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种基于GPU并行运算的碳纳米管分子动力学仿真方法，该方法能大幅度提高碳纳米管的模拟规模，极大地提高分子动力学仿真的运算效率。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

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，重复执行该步骤直至模拟时间结束；

4)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。

作为一种优选方案，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。

作为一种优选方案，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。

作为一种优选方案，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。

作为一种优选方案，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；