Gromacs在神威蓝光超级计算机上的部署和应用

74 Application / APPLICATION科研信息技术和应用Gromacs在神威蓝光超级计算机上的部署和应用山东省计算中心神威蓝光超级计算机 济南，山东济南，250014国家超级计算济南中心，山东济南，250101关键词: 部署Sunway Bluelight超级计算机朱小明1,2上苑1,2王丽1,2山东省计算机科学中心，山东济南250014国家超级计算机中心，济南，山东济南250101摘要: 关键词: Gromacs是一种的分子动力学模拟软件. 国家济南超级计算中心拥有两套高性能计算系统: 基于Intel CPU的高性能计算集群（理论峰值超过100T）和基于家用SW1600 CPU的MPP超级计算系统（理论峰值超过1P）. 本文介绍了Gromacs软件包在两个高性能计算平台上的迁移和部署，并以分子大分子为例在两个平台上执行分子动力学模拟测试.

神威蓝灯；分子动力学模拟；副本交换； Gromacs软件包Gromacs大型分子动力学模拟软件. 济南国家超级计算机中心配备了两台超级计算机，其中一台IntelCPU的最高性能超过100TFlops，MPPsystem的最高性能超过1PFlops（其中国产CPU SW1600）. 介绍了Gromacs软件的两个系统，并进行了分子动力学模拟生物大分子的实例. 分子动力学模拟副本交换； Gromacs从神威蓝光超级计算机的部署和应用中获取了75个Gromacs样本，以计算系统的配置点，并基于配置集成的结果，进一步计算了系统的热力学量和其他宏观特性. / p>

Gromacs是在计算生物学领域广泛使用的分子动力学并行计算软件，它是使用经典分子动力学理论研究蛋白质动力学的有效工具. 该软件专注于对新一代计算机体系结构的支持，包括全面优化的分子模拟代码在单个CPU内核上具有更快的计算速度. 此外，Gromacs是根据GNU（GNU通用公共许可证）许可的免费软件，这使得在超级计算平台上进行部署和优化成为可能. 计算生物学代表了未来生命科学和生物技术研究的发展方向. 将来，计算生物学将具有以下四个特征. 第一个是组学的特征，它从一系列的组学中发现了新知识和新规则，例如基因组学，转录组学，蛋白质组学，相互作用组，代谢组学，表型数据. 第二个是数学建模的广泛而深入的应用. 计算生物学有机地整合了大量的数据和信息，链接各种因素，并以定量的形式从不同的角度呈现生命现象的规律和性质. 有必要建立一个数学模型以通过对数学语言的抽象描述来实现它. 第三是研究的系统特征. 生命系统和现象的复杂性和完整性将不可避免地要求人们系统地，全面地考虑各种的组学数据，并通过综合分析来阐明生命活动的机制. 第四是高性能计算. 由于生命现象的极端复杂性，因此数学模型和由此引起的问题通常非常复杂，势必需要大量的计算工作. 而且，当前和将来的计算生物学研究将面临的研究小组. 因此，数据是高性能计算的重要手段，也是今后研究和解决生物学问题的重要途径.

加强超级计算平台的开发，建立和完善多层次，多元化的目标计算服务系统，提高中国的超级计算水平，促进中国计算生物学的发展以及能源和材料领域的相关进展. 具有重要的战略意义. 1.3 Gromacs在生物学，化学，材料和其他研究领域，分子动力学模拟计算方法在原子和分子水平上具有广泛的应用. 引言1.1国家超级计算济南中心及其硬件资源介绍国家超级计算济南中心（简称“超级计算机中心”或“济南中心”）是国家高技术研究发展计划（863计划）批准的重大项目由科学技术部设计的超级计算中心是基于数十亿次总计算能力而设计的，第一阶段的工程计算能力已达到PB级的超级计算，存储和显示环境，具有PB级的二级存储能力济南中心使用了中国首个在国内的多千兆位计算机系统“神威蓝光”中内置的多核多核通用多核通用处理器，这在中国尚属首次拥有独立知识产权的软件和硬件环境（例如CPU和操作系统）超级计算中心标志着中国已经成为继美国和日本之后能够使用独立处理器建造万亿次超级计算机的第三大国家. 济南中心的超级计算系统包括两个系统，即神威蓝光家用数十亿次计算系统和基于Intel CPU的100T集群系统.

其中，神威公司的蓝光超级计算机系统是第一个完全使用独立开发的多核通用处理器1600构建的家用多千兆位超级计算系统. 第二套超级计算机系统，Linpack的效率为74.4％，性能/功率比超过741MFlops / W，装配密度和性能/功率比处于世界先进水平，并且系统综合水平在当今世界上处于领先地位. 核心技术的“可控”目标. 另一组基于IntelCPU的群集系统旨在补充家用系统. 对于某些无法获取源代码的商业软件，制造商编译的二进制代码可用于直接部署和应用. 1.2计算生物学（Computational Biology）是生物学的一个分支，指的是数据分析和理论方法，生物学的数学建模和计算机模拟技术，行为科学和社会群体系统研究的开发和应用. 在计算生物学研究中，分子模拟和计算机辅助药物设计是当前计算生物学研究的热点. 其中，分子动力学模拟是一组重要的分子模拟方法. 该方法主要依靠牛顿力学来模拟分子系统的运动，以形成由不同状态的分子系统组成的76个集合. 科研信息技术与应用，2013，一种解决多体问题的重要计算机仿真方法，可以预测纳米级的动态特性.

通过求解所有粒子的运动方程，可以使用分子动力学模拟来模拟与原子运动路径有关的基本过程. 在仿真计算的早期应用中，由于计算机技术的限制，这些仿真模型的大小和时间受到限制，仿真研究的范围也非常有限. 自1980年代以来，随着计算机技术的飞速发展，这些限制逐渐减少，从而激发了分子动力学研究的高潮. 微观仿真的主流技术. 分子模拟与高性能计算相结合已被广泛用作研究和探索工具. 它可以使用分子动力学，随机动力学或路径积分方法来模拟溶液或晶体中的任何分子，以最小化分子能量并分析构象. Gromacs是用于物分子系统的分子动力学软件包. 它支持流行的分子模拟软件的几乎所有算法. 它包含可以研究蛋白质，核苷酸，糖和许多其他生物的格罗马克力场. 高分子. 与同类软件相比，它还具有一些独特的优势: 兼容性好，输入文件和输出轨迹文件的格式与硬件无关；很多用于轨迹分析的辅助工具，用户不再需要编写任何程序进行例行分析. Gromacs软件的计算优势使其成为对操作平台的独特要求.

首先，Gromacs是一个计算量大的程序，具有大量的浮点运算. 在通信网络不是瓶颈的情况下，CPU利用率相对较高，通常可以达到98％以上. Gromacs程序需要很少的内存. 要模拟一个具有12000个原子的系统，所需的内存约为10 MB. 其次，Gromacs软件具有两种应用方法，即传统的MD（分子动力学）方法和REMD（Replica Exchange分子动力学）方法. 在传统的MD模式下，进程之间的通信很频繁. 使用高端通信网络（Myrinet，Inband）可以提高程序的并行加速比，并提高并行计算的效率. 在REMD方法中，进程之间的通信很小，使用千兆以太网可以完全满足通信要求. 必须使用高端通信网络. 另外，Gromacs软件的输入文件和输出文件不是很大，也没有特殊要求. Gromacs的运行过程主要由一系列文件和命令组成. Gromacs的一般仿真过程可分为以下三个阶段: 预处理过程: 生成仿真对象的坐标文件，拓扑结构文件以及平衡参数和外力参数等文件.

仿真过程: 首先将系统的能量最小化，以避免结构不合理和仿真错误；然后是系统的加热过程，首先根据玻尔兹曼布分配系统每个原子的初始速度，然后模拟一个短时间达到初始平衡. 最后，进行真实的分子动力学模拟，即平衡过程. 该过程的时间步长通常为1fs，运行时间约为ns，以确保仿真系统尽可能找到最低的势能点. 当然，对于其他操作，例如施加外力（模拟AFM加力燃烧室），需要在平衡后执行. 在MD仿真过程中，用户可以使用支持的可视化软件（例如VMD（可视分子动力学））随时观察仿真过程和系统状态. 后处理过程: MD仿真结束后，Gromacs会生成一系列文件，例如.log文件（日志文件）、. trr文件（跟踪文件）、. edr文件（能源文件）、. gro文件（结构文件） ）， 等等. 同时，Gromacs本身提供了各种分析程序，可以分析这些文件以获得有关分子系统的各种信息. Gromacs部署2.1依赖库的安装Gromacs软件使用傅立叶变换库（FFTW），因此您需要先安装FFTW，并注意FFTW的安装精度与Gromacs的精度一致. 当然，最好同时安装Single \ double（float \ double）精确版本.

FFTW的全名是“ Fastest Fourier Transform West”，而FFTW软件包是由MIT MatteoFrigo Johnson共同开发的. FFTW是用于语言的子功能库，用于计算一维或多维离散傅里叶变换. 输入是实数或复数序列. FFTW是免费软件，是FFT函数库的各种应用程序的不错选择. 77 Gromacs在神威蓝光超级计算机上的部署和应用FFTW的计算性能远远领先于其他现有FFT软件. FFTW为任何大小的图案生成一个计划，并对该计划执行各种操作以完成各种图案的转换；内部结构及其复杂性对用户透明；速度快，并且各种机器的内部编译器和代码使用AST运行时来生成代码并进行自我优化，并且使用分层存储技术来占用编译时间）. 如果要在群集中安装，请按照其手册中的过程进行操作. 在家用系统上，FFTW安装过程需要对配置文件，makefile等进行特定修改. 过程如下: 文件解压缩: tar zxvf fftw-3.3-beta1.tar.gz mkdir fftw-install cd ffff-3.3 -beta1 vim compile.sh（修改相应的变量，编译为国内的相应命令和参数）系统）#！ / bash / sh导出CC = swcc导出CFLAGS =” -OPT: IEEE_arith = 2”导出LDFLAGS =” -L / usr / sz / swcc / swgccc-binary / lib”导出CXX = swg ++导出AR = swar导出CPP =” / usr / bin / cpp”导出F77 = swf90导出RANLIB =swranlib. /configure--prefix = $ HOME / fftw -install --enable-燕麦-enable-mpi make makeinstall根据上述过程， fftw在家用系统上的安装和部署已完成.

2.2软件移植通常，将Linux程序从x86平台移植到Linux POWER（或诸如Alpha之类的其他程序）的过程非常简单，因为这两个平台均基于Linux. 实际上，大多数移植只需要一些编译器和链接器. 可以对开关进行稍微的修改和重新编译，但是，当应用程序依赖于特定的硬件体系结构时，通常需要进行较大的更改迁移过程概述: 编译修改命令和选项: 修改Makefile或配置文件，并修改将编译命令，编译选项和其他命令（例如ar，ranlib等）转换为家用系统的相应命令，例如: ifort-> swf90，icc-> swcc，ar-> swar，ranlib-> swranlib，FCFLAGS，FCFLAGS8添加: -OPT: IEEE_arith = 1，等等. LIB添加: -lsw. 库问题，调整使用相应的主机编译器选项；注意是否需要调用特殊的库，例如优化的Math库，等. 注意数据文件的格式，注意消息数据类型的long int / long，real / double. 通常，有-r8项，-I8选项需要特别小心. 有些区分不同机器的long / double类型将使用默认长度，而有些机器则使用long long类型.

如果将原始程序移植到32位计算机和64位计算机上，则可能需要修改某些数据结构. 一些MPI类型的参数也需要修改. 其他一些高级问题包括: 请注意正在运行的实际进程数与配置文件的一致性. 请注意系统的默认堆栈空间设置是否满足实际并行程序的需求以及是否需要ulimit设置. 修改Gromacs编译命令的具体迁移过程如下: 在编译脚本中设置变量根据上述规则，Grommacs迁移和安装的具体过程如下: 文件提取: tar zxvf gromacs-4.5.3 .tar.gz mkdirgromacs-install; cd gromacs -4.5.3 vim compile.sh#！ / Bash / sh导出CC = mpiswcc #swcc导出CFLAGS =“ -OPT: IEEE_arith = 2”导出LDFLAGS =“ -L / usr / sz / swcc / swgcc-binary / lib”导出CPPFLAGS =“ -I /”导出CXX = swg ++出口F77 = swf90出口RANLIB = swranlib出口AR = swar 78信息技术和科学研究的应用，2013年，exportCPP =“ / usr / bin / CPP”出口NOASSEMBLYLOOP =1. / configure --prefix = $ HOME / gromacs-install --enable-燕麦--enable-mpi --disable-bluegene --disable-线程--disable-x86-64-sse --disable-ia32-sse --disable- ia64-asm make安装2.3作业运行检测和自动提交任何涉及长期计算的项目都可能会遇到一系列软件和硬件故障，尤其是基于大型系统（例如超级计算机）的情况.

本文来自电脑杂谈，转载请注明本文网址：
http://www.pc-fly.com/a/jisuanjixue/article-152426-1.html