Parallel algorithms for molecular dynamics simulations in fluids [Elektronische Ressource] = Parallele Algorithmen für Molekulardynamik-Simulationen in Fluiden / vorgelegt von Christian Goll

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Parallel algorithms formolecular dynamics simulationsin fluidsParallele AlgorithmenfürMolekulardynamik Simulationenin FluidenDen Naturwissenschaftlichen Fakultätender Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-NürnbergzurErlangung des Doktorgradesvorgelegt vonChristian Gollaus Waiblingen.AlsoDissertationDr.genehmigteitbvderonericdenMecNaturwissenscProf.haftlizcommission:henFinkFterstatter:akult?tenDr.dereUnivhersit?tPErlangen-N?rntbendererg.PromotionskTProf.agR.derErstbmh?ndlicPrhenf.Pr?fung:K.13.kDezemZwbericeterstatter:rDr.2010.-GVReinhardorsiContentsAbstract 1Zusammenfassung 3I. Computational Methods and Parallel Programming 51. Methods 7DD2. Parallel MD simulation 15iDieren...2.2.5.........................7.1.2..Ev.enoftfunctionsdriv.enPMolecularODynami.csLinksim.ulationW...19...sp.....21.............particle....8.1.3..CalculationMDof.ph.ysic.alhniquequan.tities............dic.....20.eciency.....d.....details.....of......9.1.3.1..Pr.e25ssurte..without...article.............16.ne.ulatio...........17.ll.............18.in..........9.1.3.2..StPreoundaryss.tensor........Denition.dup.........21.parallelization...........Implemen...........2.2.2..............2.2.3.9alls1.3.3..Self.diusion.constan.t.ulations..P.p.transfer.....arallel.ermanen.....2.2.6..............34.particle..........10..1.3.4.2.1.3.Selfutlidiusionofconstansimtnsim.as.a.Green-Kubo.relation..............2.1.4.12ed-ce1.3.5.tecMean.free.path......................2.1.5..all.teraction......
Publié le : vendredi 1 janvier 2010
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Parallel algorithms for
molecular dynamics simulations
in fluids
Parallele Algorithmen
für
Molekulardynamik Simulationen
in Fluiden
Den Naturwissenschaftlichen Fakultäten
der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
zur
Erlangung des Doktorgrades
vorgelegt von
Christian Goll
aus Waiblingen.AlsoDissertationDr.genehmigteitbvderonericdenMecNaturwissenscProf.haftlizcommission:henFinkFterstatter:akult?tenDr.dereUnivhersit?tPErlangen-N?rntbendererg.PromotionskTProf.agR.derErstbmh?ndlicPrhenf.Pr?fung:K.13.kDezemZwbericeterstatter:rDr.2010.-GVReinhardorsiContents
Abstract 1
Zusammenfassung 3
I. Computational Methods and Parallel Programming 5
1. Methods 7
D
D
2. Parallel MD simulation 15
i
Dieren...2.2.5.........................7.1.2..Ev.enoftfunctionsdriv.enPMolecularODynami.csLinksim.ulationW...19...sp.....21.............particle....8.1.3..CalculationMDof.ph.ysic.alhniquequan.tities............dic.....20.eciency.....d.....details.....of......9.1.3.1..Pr.e25ssurte..without...article.............16.ne.ulatio...........17.ll.............18.in..........9.1.3.2..StPreoundaryss.tensor........Denition.dup.........21.parallelization...........Implemen...........2.2.2..............2.2.3.9alls1.3.3..Self.diusion.constan.t.ulations..P.p.transfer.....arallel.ermanen.....2.2.6..............34.particle..........10..1.3.4.2.1.3.Selfutlidiusionofconstansimtnsim.as.a.Green-Kubo.relation..............2.1.4.12ed-ce1.3.5.tecMean.free.path......................2.1.5..all.teraction.............................2.1.6.13erio1.4.bPseudoconditionsrandom.n.um.b.er.generator..........2.1.7..of.ee.and...................2.1.8..t.metho.s..13.Dynamics.cular.Mole.en.driv.Time.1.1...2.2..tation....2.2.1..aralleli.with.message.in...........2.1..P.23MDPsimzationulationsthe.parsing.terface.........23.Distribution.particles.......................24.Distribution.w........15.2.1.1..Dimensionalit.y.of.the.sim.ulation....2.2.4..arallel.with.ermanen.particle.........26.P.functions.p.t.transfer......16282.1.2.PC+transformation+.and.pseudo.co.de................2.2.7..arallel.addition.......................34..Contents
II. Simulations on the Nano Scale 39
3. Directed Brownian Motion 41
4. Track of a fast proton in a fluid 63
61=r
1=r
5. Diffusion in confined materials 91
ii
10036..........of3.1..Descriptioninof.the.mo.del......5.2.2..101.......mo.77.77.......ds...................p...4.3.3...42.3.1.1..Sim.ulation.run................in...5.1.1....5.1.2....ulation............................42.3.1.2..Prop.erties.ofotenthe.LJ.uid..4.4..................calculation..........................44Eciency3.1.3.gasesStopp.i.ng.la.ws..............mo.....ree...............all.......conned..............45.3.1.4..Motor.shap.es72.de.tial...............t.................te.................Cross-section..49.3.1.5..Systematic.error.and.star.tiPn.g.conditions..........4.5...................524.6.3.2..Theory.and.si.m.ulation........sp.5.1..i.u.............og...............diusion............535.2.3.2.1.andTheory..........5.2.1..and.............prop...............Hard...............Diusion........53.3.2.2..Sim5.3.1.ulationsurfacesand.preparation.of.the.data........................4.3.2....co.oten54.3.2.3..Rand.om.w.alk.e.r.based.mo.del........72.he.-p.tial............................57763.2.4.MonEnergyCarloeectivdeleness..............................4.4.1.......................59.3.3..Conclusion....4.4.2..ath.............................79.Results................................61....81.Conclusion....................4.1..Motiv.ation.and.setup.of.sim.ulation84.eedup.and.2.3..Diusion.d.lute.and.i.......................91.Ensk63equation4.1.1..In.teraction.of.a.fast.proton.with.a.uid........91.Knudsen....................66.4.1.2..Sim.ulation96ofSimthesetupLennardtheoreticalJonesdeltarget.uid................96.F.energy.diusion..68.4.2..Ev.en.t.driv.en.MD.sim.ulation..96.Fluid.erties.............................5.2.3..w.repulsion..........70.4.3..Mo.died.tim.e.driv.en.MD5.3.siminulationgeometrieswith.dieren.t.p...tials............102.Diusion72minimal4.3.1..LJ-p.oten.tial..............105.otenContents
Summary 115
Danksagung 117
A. Tables of physical constants and simulation values 119
B. Source code listings 123
Bibliography 129
iii
.reect.exprandomerimenints..........patterns.........5.3.3.......109.5.4.oConclusionDiusion............order113toulationsSim.109.................olean.B.in.5.3.2....Abstract
200 nm
1
idealofafterthisathesisorisartthaseinimplementhantationofofBrparallelmotion.timeChapterdrivtheenaremoleculartodynamicondscolengthdetheforthetheInusetoonothethemenanosoundscale.SevProblemsinandTdetailsacesofothepimplemenles,tationunitareconditionspresenThreetediinpresenPTheartaIin.theInrPusedartthisIaIv,explicitthreeeapplicationsesoffasttheforcopresendethearepshotwn.areDynamicsBoonmassivtheasnanogasscalediameterhatsvheaattractedofaundergraeapproattindynamicsterestulationsinscaletheinlastIfewapplicationyulationears.eThiswnianw3orkmodoofespnotcleconcenequilibriumtrateaonitecthnicalcaseapplicparallelizationation,furtherbutononrequiretheelization.exploration,ofgenerationproacessesawithinhittheisnanomoscale.hitAsprotontoFinallyol5forofthistexplorationiscomputerosimoreulationswhicaresurutilized.aUnfortunatelypattern.insimthecomputerlasteryinearsulatethetdevwithelopmenmagnitudetcompinthejectthewhiccomputercorresptectohcubicnolcellogyandidgasnotnormalleadwithtosidefofTheximatelysubast.edierenrapplicationspromolecularcessors,sbutmtononanotheareatedvPailabiliIt.yrstofismoresimcomputerofcoresrectiedspoeciallymotiontoChapterthe.devthiselopmendel,trelaxationofanmsymmetriculticoreaptiroincessors.thermalInisorderfortodirectedutilizAlthoughenthesesimplearcwhitecturedimensionalforonlyscientrivialticwcomputations,used,parallelinprogrammingestigationstecthishniqueswillmanustparallbIne4used.thPinitialartofIwdescribvesintheuidprob-thelemsofwithprotontheanalyzed.programmieralngdelstecthehniqueofandfasttheareimplemented.tation,details.ChapterA,comparisondiusionbgasetdierenwnano-sizedeenoreexistinganalyzed.solutionswanddierenthepcokindsdeused,ofhthisminimalwforkandisrandompreseoleannFted.theseWithulations,thisetecphniqueswitwiusedsorderpsimossiblethetoinsimheulateoresmaoreathangreateronethemilliononenpofauid.rticZusammenfassung
200 nm
3
undeitausgenisterstediedenImplemenThematationaneen?tigt.inerinparalleleinigerenderMoleBrkularinDynamikenSim-hulation,Kapitelf?rorendewurdeneinerEinsatzendungenaufTderdienanometereiSkeala.QuelleImMoTtersuceilScIProtonsweilcerdeneinesdieeiProblemePundBoDetailsdasdhene?ngererscImplemenDynamiktierungalabIescinhriebeinereegung.nMo.gericDreihenVhgewicerschhieohldtrivialeef?rneexpliziteAnwirdweinerehgangnduhiedenengescnpr?sendieserDSim-ersculationtersucwArtenerdenenimvTsoeilF?rIRecIorenpr?senulieren.tiert.xDynamiscnheonPh?nDreioAnmeneonaufulationenderternanomeerdentletiert.rwSk3alaula-habhenwnschenindiesemdenilewirdt?ngliczteteteneinesJahreneilceineGle-gro?etAufmerksamkeineeitBewerhalten.ObDieseeiArbelleitarallelisierungkwurde,onzeneiterertriertungensiarallelisierungcKapitelhErzeugungnicelleheittmauscfVtecdellhnischganghenewNutzungImdieserwirdPh?nomene,sisonderninaufPdieGr??eUnt.tersucerschonungerdendieser.zumAlsaufWMinimal?cerkzeugAnderenf?rtesdiesePBeobacSimhsehrtungeneingesetztwinerdenderComputerzuSimquadratisculationenBobmitenSeiteutzt.lUngl?cvklicdieserhef?llen.rVwhiedeneeisewf?hrtevderMolekulartecSimhniscaufhenanome-FSkortwscimhritteiinIdempr?senBereicDiehAnderendungHardwKapitelareistEnSimttionwicgerickltetenunogBewnicBeihzwtdzumensionalenscdellhnellerendieComputerfProzessoren,hesondernhzuBeweinergungbasymmetriscesserenTVhenserf?gbarkdaseiticvhonalsmehrf?rProzessorengericinsbteteesondereegungvutzt.onwmbulticorediesemProzessoren.d-F?reinedenPEinsatzbaufutztdiesenwirdArcwhitekturenUnmh?sseneineparallelePMethobdenImzur4ProgrammierungdiebeinerenhallwutztinwFl?ssigkerden.nacTdeeilDurcIeineserl?uterthnellenProb-analysiert.lemeerscundMoDetailsf?rdieserDurcMedesthhnelloTden,hensunderdenauctiert.hletztenein5VdieergleiciuhonmitGasesexistierendenvL?sungenhiedenenkorenannnanometerhierungefundenhwZwerden.VMithiedenediveserPTwecbhnikutzt,isteinenesorennBasisunonm?glichenhzummehreinalsgenanneineRandomMillionoleanTattern.eidieselculationenheneinezugro?esimhenleistungulieren,umwGaselcPhemitunGr??eternanometerArbsimedingungeneinerNormalb

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