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计算机科学 > 计算工程、金融与科学

arXiv:2507.11172v1 (cs)
[提交于 2025年7月15日 ]

标题: 用于高性能分子动力学模拟中三体相互作用的多重时间步进方法

标题: The Multiple Time-Stepping Method for 3-Body Interactions in High Performance Molecular Dynamics Simulations

Authors:David Martin, Samuel James Newcome, Markus Mühlhäußer, Manish Kumar Mishra, Fabio Alexander Gratl, Hans-Joachim Bungartz
摘要: 理解分子系统的复杂行为对于物理学、材料科学和生物学等领域是基础性的。分子动力学(MD)模拟是研究原子级动态的重要工具。本工作专注于提高涉及二体和三体相互作用的MD模拟的效率。传统的二体势能通常无法完全捕捉分子系统的复杂性,因此包含三体相互作用非常重要。然而,这些相互作用属于三次复杂度类,与二体相互作用的二次复杂度相比,计算成本更高,即使应用了截断距离也是如此。提高效率的一种方法是使用r-RESPA多时间步算法来减少三体相互作用的计算次数。在本工作中,我们研究了这种方法,在并行化计算的高性能计算(HPC)方法背景下进行。特别是,我们研究了一种文献中提出的减少通信的分布式内存并行方法,并提出了一种新颖的共享内存并行截断方法,该方法在粒子模拟库AutoPas中实现。结果和方法得到了讨论,为MD模拟效率的潜在提升提供了见解。
摘要: Understanding the complex behavior of molecular systems is fundamental to fields such as physics, materials science, and biology. Molecular dynamics (MD) simulations are crucial tools for studying atomic-level dynamics. This work focuses on improving the efficiency of MD simulations involving two-body and three-body interactions. Traditional two-body potentials often can not fully capture the complexity of molecular systems, making the inclusion of three-body interactions important. However, these interactions are in a cubic complexity class, compared to a quadratic one for two-body interactions, and therefore are computationally expensive, even when a cutoff distance is applied. One way to improve efficiency is to use the r-RESPA multiple time-stepping algorithm to reduce the number of three-body interaction calculations. In this work, we investigate this method in the context of High Performance Computing (HPC) methods that parallelize the calculations. In particular, we investigate a communication-reducing distributed-memory parallel method from literature and present a novel shared-memory parallel cutoff method, implemented in the particle simulation library AutoPas. The results and methods are discussed, providing insights into potential advancements in MD simulation efficiency.
评论: 26页,7图。提交至第五届国际计算工程会议(ICCE 2024)。同行评审后未作任何修改
主题: 计算工程、金融与科学 (cs.CE)
引用方式: arXiv:2507.11172 [cs.CE]
  (或者 arXiv:2507.11172v1 [cs.CE] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.11172
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

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来自: David Martin [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2025 年 7 月 15 日 10:27:27 UTC (225 KB)
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