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分子模拟高性能方案
摘要:

  分子模拟,是指利用理论方法与计算技术,模拟或仿真分子运动的微观行为,广泛的应用于计算化学,计算生物学,材料科学领域,小至单个化学分子,大至复杂生物体系或材料体系都可以是它用来研究的对象。

  物理、化学、材料等领域的分子模拟以及生命科学行业的蛋白质结构大分子分析等都会用到分子模拟的理论和计算方法。浪潮通过分析这些典型行业的应用软件,形成了针对这些行业客户需求的典型解决方案,并积累了丰富的应用特征分析数据,从而使得集群架构与应用适配,提升效率,更好地满足客户的应用需求。

背景介绍:

  分子模拟,是指利用理论方法与计算技术,模拟或仿真分子运动的微观行为,广泛的应用于计算化学,计算生物学,材料科学领域,小至单个化学分子,大至复杂生物体系或材料体系都可以是它用来研究的对象。随着计算机技术的发展和物理,化学理论知识的不断进步,高性能计算机现在已经广泛应用于研究分子性质,开发新材料等一系列研究。从原理上而言,分子模拟主要分为两个方面,即基于第一性原理的量子化学模拟,以及基于经典力学的分子力学模拟等。当然,随着现在研究体系的不断复杂化,以及人们对于计算结果精确度以及准确度的不断提升,一些交叉学科,例如第一性原理的分子动力学等综合了量化模拟和分子模拟长处的新的研究方法也开始逐渐出现。

  分子模拟(材料物理/计算化学)是近年来飞速发展的一门学科,它主要以分子模拟为工具实现各种核心化学问题的计算,架起了理论化学和实验化学之间的桥梁。其主要目标是利用有效的数学近似以及电脑程序计算分子的性质(例如总能量,偶极矩,四极矩,振动频率,反应活性等)并用以解释一些具体的化学问题。理论上讲,对任何分子都可以采用相当精确的理论方法进行计算。很多计算软件中也已经包括了这些精确的方法,但由于这些方法的计算量随电子数的增加成指数或更快的速度增长,所以他们只能应用于很小的分子。对更大的体系,往往需要采取其他一些更大程度近似的方法,以在计算量和结果的精确度之间寻求平衡。

  分子模拟中不同的结构体系

应用领域

应用软件

应用特点

量化计算

Gaussian,VASP,ADF,Molpro,Molcas,Wien2k,Materials Studio,MedeA,ATK/VNL,ADF,AMBER,CHARMM,PWSCF

1.主要是基于第一性原理计算方法。

2.理论方法主要有DFT,HF,CI,半经验方法等。

3.对CPU主频要求比较高;

4.内存带宽要求比较高;体系大小对内存有最小要求,大内存可以计算效率;内存与基组数目、K点数目相关;大体系计算过程中对内存带宽要求比较高;

5.K点数目直接决定计算量大小和计算时间;

6.有些计算方法需要很高的IO带宽,如Gaussian MP2;

7.Gaussian有两种并行计算方式,共享内存并行和TPC-Linda并行,优先选择共享内存并行;

分子动力学

Amber,Grom,HyperChem,ChemLab,

1.分子动力学方法的程序较复杂,计算量大,占内存也多;

2.不同程序应用方向不同,比如Amber比较适合分子(特别是生物分子)的动力学模拟,而VASP处理原子、分子、团簇、纳米线(或管)、薄膜、晶体、准晶和无定性材料比较擅长;

3.并行计算时一般都网络性能要求比较高;

1.1量子化学软件

解决方案介绍:

  随着计算机硬件的发展,计算机的计算速度得到很大程度的提升,但是计算化学领域计算问题非常复杂,尤其是对于体系较大的结构,采用高性能计算机系统成为理论化学计算的必由之路。因此,一个优秀的高性能解决方案带给科研工作者的不仅是更快的完成计算任务,也是如何更好的完成计算任务。以下为分子模拟配置建议:

节点类型

配置建议

适用应用

功能服务器

NF5270M3

  • 2U机架,2颗Intel Xeon E5-2620v4系列处理器;
  • 128G内存,IO节点可以增大内存配置
  • 双SAS硬盘,RAID1

集群管理、登录、IO节点

双路刀片

NX5440

  • 刀片服务器,2颗Intel Xeon E5-2660v4以上处理器;
  • 1+1冗余管理模块
  • 计算网络采用Infiniband或OPA网络
  • 管理网络采用内置以太网交换模块

适用于分子动力学应用,实现大规模并行;也可以作为超算中心或计算节点

GPU/MIC加速

NF5588M3/

NF5280M3

  • 2U机架,2颗Intel Xeon E5-2600v4系列处理器;
  • 16个内存插槽,支持512GB 以上的Ecc Reg DDR4 2400MHz内存;
  • 8个PCIE 3.0 x16插槽,支持4块GPU与MIC卡全速计算

适用于支持GPU的分子动力学应用,或部分用户自主开发的程序

八/四路路胖节点

TS860

  • 8颗Intel Xeon E7-8800v4系列处理器QPI直连;
  • 配置大容量内存,2TB以上;

大体系的Gaussian和VASP计算任务

存储系统

  • 较小系统可以采用IO节点+光纤存储的方案
  • 较大系统采用并行存储系统

Gaussian对于IO带宽压力非常大

客户收益:

  应用于分子模拟领域的浪潮天梭TS10000系统奉行“应用适配”、“弹性部署”、“易用安全”设计思想,软件运行于其上效率高、速度快,集群的计算能力和存储也可以在后期扩展,管理软件方便了集群的管理监控和作业调度,整套方案全面展现了浪潮在应用、可管理性和可扩展面的独特优势。

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