[發明專利]基于蛋白質折疊測算蛋白質結構的集群并行計算加速方法

有效

• 申請號: 201711439963.1
• 申請日: 2017-12-27
• 公開（公告）號: CN110021339B
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 張尉東;陳一峯;張明悅
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G16B5/00
• 分類號: G16B5/00;G06F9/46;G06F9/54
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 黃鳳茹

1.一種集群并行計算加速方法，針對蛋白質折疊過程構建能量約束模型，在異構集群計算機上對蛋白質折疊計算的迭代過程進行并行加速，以提高計算速度與精度；包括：將蛋白質折疊計算的近似計算劃分為多個計算任務，每一個集群中的節點計算氨基酸中各原子的狀態向量X的一維或多維數據，每個節點根據本地計算任務和數據備份進行計算求解，計算期間不進行數據同步；設定時間步增量Δ，每個節點執行完Δ個時間步后進行數據同步，本節點計算任務的結果同本地數據備份比較，如果發生改變，則將數據以廣播的方式在集群中傳播，通知集群中的所有主機將本地備份進行更新；當執行到設定時間步或增量操作的計算結果之差小于設定閾值時終止運算；由此實現基于蛋白質折疊測算蛋白質結構的集群并行計算加速；

所述集群并行計算加速方法包括數據部署、并行求解、全局廣播與數據輸出過程；具體包括如下步驟：

A.數據部署：

A1.Ax＝B具體表示為式3：

將矩陣A、向量B作為數據輸入，集群中共有N個主機，生成n個進程，每個進程計算X(x₁，x₂，…，x_n)的一個分量x_i；n≥N；集群上每個節點中的進程通過IP地址加進程號的形式進行通信，每個進程生成一個計算線程和通信線程，計算線程負責計算，通信線程用消息傳遞接口(MPI)實現全局的廣播與數據同步；

A2.將進程與X數據進行綁定，即使得x_i與進程rank號綁定，對于MPI給進程分配進程號rank；rank＝i的進程負責計算分量x_i+1；

B.模型并行求解計算：

B1.采用高斯-賽德爾迭代法求解的近似解；迭代式如式4：

其中，表示線性方程組解的i分量在第k+1次迭代的值；

B2.對X向量初始化，設定x_i的初值；開辟變量緩存空間old、new；緩存空間old用于記錄上一次迭代的數據，緩存空間new用于記錄更新值；把x_i分別賦給old_i、new_i，則一共有n個old數據和new數據；將n個old數據、n個new數據、矩陣A、向量B拷貝到每個進程中；

B3.由步驟A2使得x_i與進程rank號綁定起來，對于rank號位i+1的進程，計算x_i時，將new_i的值賦給old_i，再根據迭代公式式5計算得到new_i：

反復運行步驟B3多次，再執行步驟B4的操作；

B4.每個rank號為i+1的進程將本地的new_i與old_i以廣播的形式傳輸給全體進程，等待其他進程傳來的數據后，更新本地的new與old數據；

當n個new和n個old數據全部更新完之后，給定計算精度c，當成立時，終止計算，此時進程中存儲的n個new_i值，即為所求的x_i值；

反之當不成立時，轉到步驟B3；

由此得到的X(x₁，x₂，…，x_n)為一個模型的近似解；

C.全局廣播與數據輸出：

C1.針對異構集群，在進程同步時，在消息傳遞基礎上采用二叉樹形廣播方式；進程是一棵完全二叉樹結構，rank號為0的進程作為樹的根節點，其他進程將同步信號傳給父節點，根節點收到同步信號后，向子節點發送同步信號，子節點收到來自父節點的同步信號后，再向下轉發；對運行在異構集群上的進程，采用IP地址加端口號加進程號的方式進行訪問；

C2.求得X向量的過程中，最先終止計算的進程向全局廣播，其他進程收到信號后停止計算并釋放占用的資源，由最先終止計算的進程將內存中的數據寫入磁盤進行存儲；

由此實現模型求解的集群并行計算加速。

2.如權利要求1所述集群并行計算加速方法，其特征是，所述集群的硬件包括：帶寬100G的交換機；CPU-GPU主機節點，設有16顆Intel Xeon E5-2620處理器和一塊Tesla K20顯卡；節點間由InfiniBand網絡連接。