[發明專利]一種動力學蒙特卡洛并行模擬的通信優化方法及其系統

有效

• 申請號: 201710397637.2
• 申請日: 2017-05-31
• 公開（公告）號: CN107239352B
• 公開（公告）日: 2019-11-29
• 發明（設計）人: 李建江;胡長軍;汪岸;王先夢
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: G06F9/54
• 分類號: G06F9/54
• 代理公司: 11237 北京市廣友專利事務所有限責任公司
• 代理人: 張仲波<國際申請>=<國際公布>=<進入

本發明提供一種動力學蒙特卡洛并行模擬的通信優化方法及系統，其中，所述方法包括：構造通信數據結構；構建鄰居進程的圖狀拓撲結構；開啟進程外迭代；按照預設順序從多個子區域中選擇一個子區域；進程當前選擇的子區域數據通過構造的所述通信數據結構與鄰居進程通信；迭代結束。本發明還提供一種動力學蒙特卡洛并行模擬的通信優化系統。本發明提供的技術方案通過構建進程圖狀拓撲結構，使用鄰居集合通信函數代替原有的點到點通信函數，進而降低了通信時間復雜度，通過優化程序流程，選取最優的子區域迭代順序，合并相鄰兩次內迭代的部分通信操作，從而減少了部分通信冗余數據，減少了進程間的同步等待時間，使負載更加均衡。

技術領域

本發明涉及并行區域分解的通信優化領域，尤其涉及一種基于SPPARKS并行框架的動力學蒙特卡洛并行模擬的通信優化方法及其系統。

背景技術

動力學蒙特卡洛(KMC，Kinetic Monte Carlo)方法是廣泛應用的材料輻照損傷計算機模擬手段之一，其關鍵是通過建立一個隨機過程或概率模型，計算近鄰原子之間的相互作用勢能的發生概率，可以模擬介觀尺度下較大規模、較長時間的材料微觀結構演化過程。動力學蒙特卡洛并行模擬是結合高性能計算機和動力學蒙特卡洛方法形成的并行模擬方法，能夠進一步突破現有的時空尺度限制、內存容量限制，實現與實驗相當的時間、空間尺度的介觀尺度模擬，是材料領域高性能模擬最常用的方法之一。

由于動力學蒙特卡洛固有的串行性，并行模擬方法存在并行效率低、內存開銷大，甚至難以保證模擬結果正確性等問題。有學者提出了一個適用于并行模擬的SL算法，并且還提出了以SL算法為基礎開發了一個用于動力學蒙特卡洛并行模擬的C++通用框架SPPARKS，可以在損失部分精度的條件下實現三維大規模并行模擬。SPPARKS將每一個進程的數據區域進一步劃分成子區域，并在進程內對子區域進行編號，每個進程并行處理對應于同一編號子區域的數據避免進程之間的數據沖突。在初始化階段，初始化要模擬的晶格點的數據，建立進程拓撲并經過區域分解將數據均勻分配到相應進程。內迭代中，每個進程執行兩次數據交換并進行計算直到達到給定的內迭代時間閾值。在每次外迭代中，總數8個子區域輪詢執行計算。首先，一個進程就當前計算子區域的邊界數據，使用點對點通信操作與鄰居進程進行數據交換。接下來，進程在當前子區域隨機地選擇一個模擬事件執行，更新當前子區域受影響的格點信息。最后，進程使用當前子區域邊界數據執行第二次點對點通信操作，進入下一個子區域的計算。第一次模擬內迭代結束后，無論下一次內迭代完成時是否達到給定的外迭代時間閾值，都會繼續執行直到8次內迭代結束。

上述SPPARKS框架并行模擬時的特點是，8次內迭代大量使用點對點通信，通信函數MPI_Irecv()和MPI_Send()總執行時間占到總通信時間的90％以上，帶來很大的通信開銷。并且，同一進程當前計算子區域在內迭代開始后、結束前兩次點對點通信過程中，有部分數據由于未發生更改，是不必進行交換的，這造成單次通信操作交換的數據量大于必要的數據量，增加了單次通信操作的時間。此外，對于KMC并行模擬時中心進程需要與周圍多個鄰居進程通信的進程拓撲，點對點通信提高了通信時間復雜度，降低了并行效率，使負載不均衡問題更加突出。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種動力學蒙特卡洛并行模擬的通信優化方法及其系統，旨在解決現有KMC大規模并行算法中鄰居進程間點到點通信引起的負載不均衡問題。

本發明提出一種動力學蒙特卡洛并行模擬的通信優化方法，其中，所述方法包括：

構造通信數據結構；

構建鄰居進程的圖狀拓撲結構；

開啟進程外迭代；

按照預設順序從多個子區域中選擇一個子區域；

進程當前選擇的子區域數據通過構造的所述通信數據結構與鄰居進程通信；

迭代結束。