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高性能GPU计算技术在化学时空斑图动力学研究中的应用
发布时间:2013-12-23
 

 

 化工学院系统化学与化学电源课题组“高性能GPU计算技术在化学时空斑图动力学研究中的应用”

1)时空斑图是指在空间或时间上具有某种规律性的非均匀宏观结构,普遍存在于自然界中。例如: 动物皮毛上的斑纹、流体中的贝纳德对流、振荡沙盘中的周期结构、星系结构、以及化学波与图灵斑图。在各种类型的斑图中,化学体系中的斑图结构是被最为广泛研究的领域,自从耗散结构理论提出之后至今的数十年间一直是国际学术界研究的热点。人们期待通过研究化学体系斑图的规律,完善与发展复杂系统理论,从而理解自然以及生命的本质。

2)化学时空斑图的研究方法主要是实验方法与计算机模拟方法。毫无疑问,实验研究是重要与基础的,但是想要研究斑图的动力学本质,数值模拟工作必不可少。一般而言,首先从实验中提出化学反应的动力学模型,及微分方程组,进一步进行数值求解,不仅可以对比实验验证模型,更重要的是,正确的模型可以通过模拟过程得到系统几乎所有的动力学信息。这样才可以进一步从本质上研究斑图的成因。

3)时空斑图的模拟一直是对计算技术的挑战。我们往往要面对求解具有数百万以至数千万个空间自由度的非定常微分方程组(非定常是指斑图是随时间演化的),如果模型具有数值刚性,模拟将需要更多的时间。如果仅仅使用单颗CPU,即使是i7以及最优秀的Intel fortran编译环境我们也只能模拟1E6个自由度的反应扩散系统(RDS);借助矿大曙光集群中的GPUTesla C2050),通过自已开发的CUDA C代码,我们可以轻松模拟2E7个自由度的RDS,加速比为20倍以上。如果计算动力学中具有重要应用的lyapunov谱谱图,经过实测GPU的加速比达到约2000(CPU i5 760)

4)我们课题组近期在JPC_letters上发表了一篇关于时空斑图的论文(Multiple Length Scale Instabilities of Unidirectional Pulse Propagation in a Diffusion-Fed Gel(http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jz402117m其中数值模拟都是通过GPU计算完成的。研究过程中进行了大约1.8万次数值模拟实验,通过四颗GPU并在两个月内完成了计算任务。如果没有GPU的支持,这是难以完成的任务。需要说明的是,按计算任务类型分类,RDS数值计算属于数据密集型任务,这是GPU加速最理想的任务类型,如果是计算密集型任务则最好在集群上使用MPI等并行方法。

论文属于ACS(美国化学会),近年影响因子6.5,属二区论文。论文内容结合实验与模拟,实验发现了现象,模拟重复了实验并进行了解释。

中国矿业大学 化工学院

系统化学与化学电源课题组(http://scet.cumt.edu.cn:85/gqy/