VADIM ZHURAVLEV
INTERDYSCYPLINARNE CENTRUM MODELOWANIA MATEMATYCZNEGO
I KOMPUTEROWEGO, UNIWERSYTET WARSZAWSKI
PROMOTOR:
DR MAREK MICHALEWICZ (ICM UW)
VADIM ZHURAVLEV
INTERDYSCYPLINARNE CENTRUM MODELOWANIA MATEMATYCZNEGO
I KOMPUTEROWEGO, UNIWERSYTET WARSZAWSKI
PROMOTOR: DR MAREK MICHALEWICZ (ICM UW)
Obliczenia struktury elektronowej zaburzonego rutylu TiO2 na komputerze wektorowym
CEL PROJEKTU
Praca dyplomowa – magisterska dotyczy obliczeń struktury elektronowej rutylu (TiO2) na komputerze wektorowym NEC SX-Aurora TSUBASA. Przeprowadzenie tego typu obliczeń dla dużych układów, tj. zawierających miliony atomów, w sposób wydajny jest zadaniem bardzo kosztownym pod względem zasobów obliczeniowych i wymaga dostosowania istniejącego oprogramowania do pracy na architekturze sprzętowej NEC. Zadanie jest realizowane poprzez rozwiązanie równania Schrodingera z Hamiltonianem ciasnego wiązania, w formalizmie metody równania ruchu.
Cel projektu
Głównym celem projektu jest przeprowadzenie obliczeń struktury elektronowej rutylu (TiO2) na komputerze wektorowym NEC SX-Aurora TSUBASA w dwóch wariantach:
(i) dla układu niezaburzonego defektami strukturalnymi oraz
(ii) dla układu zawierającego defekty w postaci wakansów tlenowych.
Do realizacji zadania została wykorzystana istniejąca implementacja metody równania ruchu.
Celem szczegółowym było dostosowanie programu do wydajnej pracy na architekturze wektorowej NEC, jego optymalizacja, a także przeprowadzenie testów wydajności i skalowania nowej wersji programu.
CEL PROJEKTU
Praca dyplomowa – magisterska dotyczy obliczeń struktury elektronowej rutylu (TiO2) na komputerze wektorowym NEC SX-Aurora TSUBASA. Przeprowadzenie tego typu obliczeń dla dużych układów, tj. zawierających miliony atomów, w sposób wydajny jest zadaniem bardzo kosztownym pod względem zasobów obliczeniowych i wymaga dostosowania istniejącego oprogramowania do pracy na architekturze sprzętowej NEC. Zadanie jest realizowane poprzez rozwiązanie równania Schrodingera z Hamiltonianem ciasnego wiązania, w formalizmie metody równania ruchu.
Cel projektu
Głównym celem projektu jest przeprowadzenie obliczeń struktury elektronowej rutylu (TiO2) na komputerze wektorowym NEC SX-Aurora TSUBASA w dwóch wariantach:
(i) dla układu niezaburzonego defektami strukturalnymi oraz
(ii) dla układu zawierającego defekty w postaci wakansów tlenowych.
Do realizacji zadania została wykorzystana istniejąca implementacja metody równania ruchu.
Celem szczegółowym było dostosowanie programu do wydajnej pracy na architekturze wektorowej NEC, jego optymalizacja, a także przeprowadzenie testów wydajności i skalowania nowej wersji programu.
ZADANIA DLA SUPERKOMPUTERA
01.
Projekt zakładał wykorzystanie implementacji równania ruchu, którą w oryginalnej wersji zaprojektowano do pracy na wcześniejszych generacjach komputerów wektorowych (między innymi Cray-2 i NEC SX-4). Architektura NEC SX-Aurora TSUBASA stanowi najnowszy model serii SX i tym samym jest naturalnym środowiskiem pracy programu. Ponadto w czasie realizacji projektu jedyna taka platforma w Polsce była dostępna w ramach infrastruktury obliczeniowej ICM.
02.
Wykonano obliczenia struktury elektronowej rutylu (TiO2) za pomocą metody równania ruchu. Prace obejmowały także proces rozwijania oprogramowania – przystosowywania go do pracy na nowej architekturze sprzętowej NEC (wektoryzacja, optymalizacja) – a ponadto testy wydajności i skalowalności. Obliczenia realizowano z wykorzystaniem ośmiu kart rozszerzeń komputera wektorowego (ang. vector engines).
03.
Implementacja metody równania ruchu była rozwijana z wykorzystaniem narzędzi dedykowanych dla architektury NEC i dostarczonych przez producenta komputera: kompilatora języka Fortran, a także bibliotek (MPI) i programów narzędziowych służących m.in. analizie wydajności.
Wykorzystanie komputera wektorowego do wyznaczania struktury elektronowej materiałów pozwala uzyskać wyniki dla układów w bezprecedensowej skali. Największa z obliczonych struktur zawierała ponad 244 miliony atomów w przypadku układu niezaburzonego defektami i ponad 30 milionów atomów dla układu zawierającego wakanse tlenowe. Są to struktury znacznie większe niż kiedykolwiek udało się uzyskać za pomocą implementacji tej metody.
Infrastruktura ICM udostępniała jedyny w Polsce komputer NEC SX-Aurora TSUBASA.
244 mln
ATOMÓW W NAJWIĘKSZEJ OBLICZONEJ STRUKTURZE
30 mln
ATOMÓW DLA UKŁADU ZAWIERAJĄCEGO WAKANSE TLENOWE
EFEKTY
Efektem realizacji projektu jest powstanie nowej wersji implementacji metody równania ruchu – „EQMO”, przystosowanej do wydajnej pracy na najnowszym komputerze wektorowym NEC. Proces rozwoju programu i uzyskane wyniki zostały opisane w treści pracy magisterskiej.
Efekty naukowe:
V.Zhuravlev, M.Hermanowicz, M.T.Michalewicz
EQMO: Equation of motion method for efficient electronic structure calculations
Computer Physics Communications, vol. 267, October 2021, 108064
Publikacja: https://doi.org/10.1016/j.cpc.2021.108064
Program: https://doi.org/10.17632/5m7jp4nb4y.1
Program wraz z kodem źródłowym został opublikowany w Computer Physics Communications (https://doi.org/10.1016/j.cpc.2021.108064), a ponadto jest dostępny w publicznym repozytorium na licencji GNU General Public License v3: https://git.icm.edu.pl/herman/eqmo
Program stanowi bazę do dalszych prac rozwojowych i po stosownej modyfikacji możliwe jest wykorzystanie go do badań materiałowych dla innych, bardziej złożonych układów.
244 mln
ATOMÓW W NAJWIĘKSZEJ OBLICZONEJ STRUKTURZE
30 mln
ATOMÓW DLA UKŁADU ZAWIERAJĄCEGO WAKANSE TLENOWE
EFEKTY
Efektem realizacji projektu jest powstanie nowej wersji implementacji metody równania ruchu – „EQMO”, przystosowanej do wydajnej pracy na najnowszym komputerze wektorowym NEC. Proces rozwoju programu i uzyskane wyniki zostały opisane w treści pracy magisterskiej.
Efekty naukowe:
V.Zhuravlev, M.Hermanowicz, M.T.Michalewicz
EQMO: Equation of motion method for efficient electronic structure calculations
Computer Physics Communications, vol. 267, October 2021, 108064
Publikacja: https://doi.org/10.1016/j.cpc.2021.108064
Program: https://doi.org/10.17632/5m7jp4nb4y.1
Program wraz z kodem źródłowym został opublikowany w Computer Physics Communications (https://doi.org/10.1016/j.cpc.2021.108064), a ponadto jest dostępny w publicznym repozytorium na licencji GNU General Public License v3: https://git.icm.edu.pl/herman/eqmo
Program stanowi bazę do dalszych prac rozwojowych i po stosownej modyfikacji możliwe jest wykorzystanie go do badań materiałowych dla innych, bardziej złożonych układów.
