[发明专利]面向分子动力学模拟程序的数据存储与索引方法及系统

说明书

本发明提供一种面向分子动力学模拟程序的数据存储与索引方法及系统，所述方法包括：依据分子动力学模拟程序中每个MPI进程上所模拟的空间大小初始化hash表，利用初始化后的hash表存储分子动力学模拟程序中的粒子信息；使用偏移列表预先存储邻居晶格点的偏移量；在分子动力学模拟程序的每一个时间步循环中，对于每一个粒子，使用所述偏移列表遍历其邻居粒子，以计算邻居粒子对当前粒子的作用力。本发明的面向分子动力学模拟程序的数据存储与索引方法可以大大节省存储空间，邻居粒子索引速度更加高效，从而可以突破10¹²原子模拟规模。

技术领域

本发明涉及面向材料计算模拟应用技术领域，特别是指一种面向分子动力学模拟程序的数据存储与索引方法及系统。

背景技术

材料的动力学行为演化是多尺度过程，借助计算机模拟的方式来研究材料演化行为是常用的手段，特别是恶劣环境下的材料行为研究(如核反应堆的高温、高压、高辐照环境下压力容器金属材料)。

其中，分子动力学方法(Molecular Dynamics，MD)是一种原子尺度的经典且重要的模拟方法。MD方法是建立在经典牛顿运动定律的基础上的一种计算方法，以每一个粒子为研究对象，这些粒子构成的系统中，每个粒子在其他粒子所提供的经验势场的作用下运动。在每一个模拟时间步Δt内，需要遍历每一个粒子的邻居粒子计算其间的相互作用力，并通过力计算更新粒子的速度，再依据速度更新粒子的位置。如此循环，直到时间步数达到目标时间步。

MD模拟对计算机的计算能力与内存需求巨大，例如欲模拟材料研究材料界面和异质区域，需要进行10²⁰原子的运动对模拟。一般引入并行技术以分布内存和加快计算速度，即并行MD模拟，但目前仍无可以达到10¹²粒子规模的并行材料分子动力学模拟软件。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种面向分子动力学模拟程序的数据存储与索引方法及系统，以解决由于MD模拟对计算机的计算能力与内存需求巨大，目前仍无可以达到10¹²粒子规模的并行材料分子动力学模拟方案的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种面向分子动力学模拟程序的数据存储与索引方法，其包括：

依据分子动力学模拟程序中每个MPI进程上所模拟的空间大小初始化hash表，利用初始化后的hash表存储分子动力学模拟程序中的粒子信息；

使用偏移列表预先存储邻居晶格点的偏移量；

在分子动力学模拟程序的每一个时间步循环中，对于每一个粒子，使用所述偏移列表遍历其邻居粒子，以计算邻居粒子对当前粒子的作用力。

其中，所述依据每个MPI进程上所模拟的空间大小初始化hash表，包括：申请内存空间，初始化偏移列表以及初始化一个空的间隙粒子列表。

其中，所述利用初始化后的hash表保存分子动力学模拟程序中的粒子，包括：

通过hash函数将每一个粒子映射到距离该粒子最近的晶格点上；

若一个晶格点上对应的粒子数大于1，则选择其中一个粒子作为晶格点粒子，其余的粒子存储到所述间隙粒子列表中。

其中，所述hash函数的key为粒子的三维坐标，经过hash函数计算后，返回距离该粒子最近的晶格点的三维坐标。

其中，所述对于每一个粒子，使用所述偏移列表遍历其邻居粒子，包括：

对于每一个粒子通过hash函数计算出距离其最近的晶格点坐标；

通过所述偏移列表获得与邻居晶格点对应的邻居粒子。

其中，所述方法还包括：