Framework für beschleunigte Monte-Carlo-Molekularsimulationen auf hybriden Architekturen

Abstract

In der Thermodynamik können Monte-Carlo-Molekularsimulationen eingesetzt werden, um makroskopische Eigenschaften eines Molekularsystems zu beobachten. Diese Simulationen sind äußerst rechenintensiv. Aktuelle und kommende Generation von eng gekoppelten Mehrkernprozessoren und Grafikprozessoren (GPGPUs) bieten ein großes Potential an Rechenleistung, welches sie für solche Simulationsanwendungen besonders interessant macht. Die dieser Arbeit zu Grunde liegende Markov-Chain-Monte-Carlo-Molekularsimulation (MCMC/GCMC) basiert jedoch auf der Erzeugung einer Markovkette, d.h. jeder Simulationsschritt hängt vom Vorhergehenden ab. Diese inhärente serielle Abhängigkeit erschwert die Parallelisierung des Problems erheblich. In der vorliegenden Arbeit wurden Konzepte und Implementierungen für ein Framework entwickelt, welches eine effiziente Simulation von Monte-Carlo-Simulationen mit Markovketteneigenschaften auf hybriden Architekturen ermöglicht. Diese Konzepte umfassen eine Simulations-Zustandsmaschine mit Unterstützung verschiedener Architekturen und eine Schnittstelle für mehrere simultan zu simulierende Monte-Carlo-Schritte. Darüber hinaus wurde die zu Grunde liegende Parallelisierung einer Grand-Canonical Monte-Carlo-Simulation auf hybriden Architekturen weiterentwickelt und beschleunigt. Die entstandene Implementierung wurde auf die erzielbare Leistung überprüft. Alle im Rahmen dieser Arbeit entstandenen Simulationsergebnisse wurden durch Vergleich mit einer Referenzimplementierung auf ihre Korrektheit überprüft. Im Vergleich zu einer rein seriellen Simulation wurde dabei ein Speedup durch den Einsatz von hybriden Architekturen von 494x erreicht.