打破常规：在通用硬件上克服分子动力学的时间限制
分布式、并行与集群计算
2025-02-20 v1 材料科学
计算物理
摘要
分子动力学(MD)模拟的演化与计算硬件的演化密切相关。在MD创建后的几十年里，模拟随着计算能力的提升，在精度、原子数量（空间尺度）和持续时间（时间尺度）这三个主要维度上不断改进。然而，自2000年代中期以来，计算机平台未能为MD提供强大的可扩展性，因为横向扩展的CPU和GPU平台虽然显著增加了空间尺度，却并未带来时间尺度的成比例增加。因此，重要的科学问题仍然无法通过直接模拟来解决，这促使人们开发日益复杂的算法，但这些算法在复杂性、精度和效率方面面临巨大挑战。虽然定制的MD专用硬件解决方案为特定物理系统提供了通往更长模拟时间的途径，但它们对新方法和势函数的有限适应性削弱了其对更广泛社区的影响。在这项工作中，我们展示了一种新颖的计算架构——Cerebras晶圆级引擎，通过为200,000个原子（其相互作用由嵌入原子势描述）提供高达每秒114.4万步的前所未有的高模拟速率，彻底改变了扩展路径。这使得在通用可编程硬件上对材料演化进行毫秒级时间尺度的直接模拟成为可能，极大地扩展了可进行的直接MD模拟的空间。
引用
@article{arxiv.2411.10532,
title = {Breaking the mold: overcoming the time constraints of molecular dynamics on general-purpose hardware},
author = {Danny Perez and Aidan Thompson and Stan Moore and Tomas Oppelstrup and Ilya Sharapov and Kylee Santos and Amirali Sharifian and Delyan Z. Kalchev and Robert Schreiber and Scott Pakin and Edgar A. Leon and James H. Laros and Michael James and Sivasankaran Rajamanickam},
journal= {arXiv preprint arXiv:2411.10532},
year = {2025}
}