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材料科學領域最受歡迎應用!GPU 為 VASP 帶來 8 倍加速!


2016-8-2


    在全球各地的超級計算機中占據 15% 的運算周期、在材料研究領域中最受歡迎的應用 VASP,得益于 NVIDIA GPU 加速的支持,在進行標準密度泛函和雜化泛函計算性能測試時,達到創紀錄的 1.4-8 倍加速!


    無論是量子信息處理、能源催化劑、新型藥物、高分子聚合物,還是光敏器件或者是太陽能電池等一系列新材料的研究,都需要使用第一性原理來模擬材料特性。在材料研究領域中,VASP 是最受歡迎的量子化學軟件,它在國內外具有廣泛用戶群,在全球各地的超級計算機中占據 15% 的運算周期。


材料科學最受歡迎!VASP:從原子級建模 & 模擬


    VASP 全稱“Vienna Ab Initio Simulation Program”,它能夠對各種材料進行原子級建模,并模擬各項數據,幫助研究人員更好地掌握材料的基礎結構及其特性,以開發出更堅固、更具適應性,或是專門用于特定方面的材料,如電子設備、催化劑和磁性材料,到玻璃、相較、金屬、陶瓷燈等等。


    一直以來,VASP 只能運行于采用 CPU 的計算機系統,現在已遇到可擴展性瓶頸,絕對計算時間存在上限,無法利用更多的 CPU 加速。


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傳統系統速度已達上限,VASP 性能無法繼續提升


    基于贗勢的密度泛函和雜化泛函是 VASP 最常用的方法,廣泛用于多體薛定諤方程自洽計算和量子分子動力學。


    在傳統的純 CPU 系統中,對于數百原子的系統,求解多體薛定諤方程,尤其采用雜化泛函計算時,總體計算時間往往達數周,即使采用多節點集群計算,由于網絡帶寬和延遲問題,總體計算時間也沒有得到明顯提升,制約了新材料研發進展。


    通過與諸多大學和科研機構協作,NVIDIA 在今年年初順利完成了 GPU 加速版 VASP。通過對原有包含 FFT 和 BLAS 算法以 cuFFT 和 cuBLAS 替代,新算法能夠完全適合 GPU 硬件架構,充分發揮 GPU 的計算潛力。同時,標準密度泛函和雜化泛函計算也均得到了 GPU 支持。


Tesla GPU加持,為 VASP 帶來最高8倍性能提升


    作為 NVIDIA 在中國最重要的戰略合作伙伴之一,曙光通過分析 VASP 異構計算特點,進一步設計了可靠的集群解決方案,在 CPU 和 GPU 運行能力、內存數量、網絡延時與帶寬上達到最佳匹配。


    該集群解決方案為每節點配置兩塊 Tesla K40 GPU 加速器,并通過 EDR InfiniBand 網絡縮短 GPU 間的通信延時,增加通信帶寬,從硬件層面進一步壓縮軟件的通信時間。


    最終,在進行標準密度泛函和雜化泛函計算性能測試時,達到創紀錄的 1.4-8 倍加速!


    其中,對于 256 原子(9K 點) GaAsBi 體系標準密度泛函計算,在最重要的絕對計算時間上,單節點兩顆 E5 2660 V3 CPU 共 16 核心計算耗時 7546 秒,使用 8 個 MPI 進程和兩顆 Tesla K40 GPU 計算耗時 1242 秒,達到 6 倍加速!


    雜化泛函計算采用 63 原子、 192 能帶和 4K 點 MgO 體系, 16 個 CPU 核心自洽計算耗時 900 秒,使用 4 個 MPI 進程和兩顆 Tesla K40 GPU 自洽計算耗時 640 秒。


    可以預見,對于大型集群來說,多 GPU 系統會帶來更加顯著的提速。


    時至今日,支持 GPU 加速的高性能計算應用已超過 400 款,包括 AMBER 分子動力學模擬應用、TERACHEM 蛋白動力學模擬應用、ECHELON 油氣儲層模擬應用、ANSYS Fluent 計算流體動力學應用等等。借助 GPU 加速,全球各地的科學家可以更加高效地解決各個領域中最艱難的計算挑戰。




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