Open source računalna kemija (drugi dio)

Prezentacija održana na LKLK konferenciji Linux korisnika 2014 u Rijeci, 25. listopada 2014. Više informacija: http://lklk.eu/

Transcript

1. Open source računalna kemija
   (drugi dio)
   LKLK Konferencija Linux Korisnika 2014
   Rijeka, 25. listopada 2014.
   

   View Slide

2. Vedran Miletić
   ●
   Asistent na Odjelu za informatiku
   – Računalne mreže, Operacijski sustavi, ...
   – Dizajn biološki aktivnih molekula računalnim
   metodama (suradnja s Odjelom za biotehnologiju)
   ●
   Vanjski suradnik na Tehničkom fakultetu
   – Računalne mreže
   ●
   Student doktorskog studija na FER-u
   

   View Slide

3. Pregled pojmova
   ●
   Znanstveno računanje
   – Matematičke operacije (većinom) na poljima
   – Model, implementacija, simulacija
   ●
   CPU i GPU, GPU computing
   – Programabilni shaderi, Cg
   – NVIDIA CUDA i OpenCL
   ●
   Višejezgreni i heterogeni procesori
   – Intel Core, AMD APU, NVIDIA Tegra K1
   

   View Slide

4. Paralelno programiranje
   ●
   Simultano izvođenje više operacija
   ●
   OpenMP
   ●
   OpenACC
   ●
   MPI
   ●
   NVIDIA CUDA
   ●
   OpenCL
   

   View Slide

5. Računarstvo visokih performansi
   ●
   Računalni klaster: velik broj neovisnih računala
   ●
   Top 500 superračunala na svijetu
   ●
   Akceleratori (12.8% superračunala)
   – NVIDIA Tesla (9.1%)
   – Intel Xeon Phi (3.3%)
   – AMD FirePro (0.4%)
   ●
   Operacijski sustavi: 97% Linux, 2.4% Unix,
   0.4% Windows
   

   View Slide

6. Superračunalo TITAN
   Izvor: https://www.olcf.ornl.gov/titan/
   

   View Slide

7. Poboljšanje atomističkih simulacija
   ●
   Povećanje sustava
   – 10 000 atoma postaje 100 000 atoma
   ●
   Povećanje vremena
   – 10 ns postaje 100 ns
   ●
   Povećanje energije
   – "Bolja fizika", "preciznija numerika"
   – Molekulska mehanika postaje kvantna mehanika
   ●
   Moguća je kombinacija (pitanje omjera)
   

   View Slide

8. MM vs QM
   ●
   Molekularna mehanika (MM)
   – Manja preciznost
   – Veća brzina izvođenja
   ●
   Kvantna mehanika (QM)
   – Veća preciznost
   – Manja brzina izvođenja
   ●
   Često se koristi hibridni pristup QM/MM
   

   View Slide

9. Podrška za GPU u MD softverima
   ●
   AMBER
   ●
   CHARMM
   ●
   NAMD
   ●
   LAMMPS
   ●
   GROMACS
   ●
   ACEMD
   ●
   ...
   Izvor: http://www.nvidia.com/object/gpu-applications.html?mDicS
   

   View Slide

10. Paralelizacija u GROMACS-u
    ●
    MPI
    ●
    OpenMP
    ●
    NVIDIA CUDA
    – Podržava multi-GPU
    ●
    Preliminarno podržava OpenCL za Xeon Phi
    

    View Slide

11. Performanse GROMACS-a
    Izvor za obje slike: http://www.gromacs.org/GPU_acceleration
    

    View Slide

12. A više od jednog računala?
    Izvor: http://www.scalalife.eu/content/performance-validation-and-benchmarking
    

    View Slide

13. Naše iskustvo
    ●
    Testni sustav 1:
    – AMD FX 8120
    – 16 GB DDR3
    – NVIDIA GeForce GTX
    660 Twin Frozr
    ●
    Testni sustav 2:
    – AMD FX 6100
    – 8 GB DDR3
    – 2 * NVIDIA GeForce
    GTX 480
    ●
    Izvođenje na 2 PC-a
    povezanih Fast i
    Gigabit Ethernetom
    

    View Slide

14. Podrška za GPU u QC softverima
    ●
    Abinit
    ●
    CP2K
    ●
    GAMESS
    ●
    Gaussian
    ●
    NWChem
    ●
    Quantum Espresso
    ●
    ...
    Izvor: http://www.nvidia.com/object/gpu-applications.html?cCtrY
    

    View Slide

15. Kako odabrati QC softver?
    ●
    Pitati kolege sa drugih instituta
    – "Mi koristimo Gaussian"
    – Nope.avi
    ●
    Atkins 1 i Atkins 2
    – Želimo li razvijati nove teorije?
    ●
    List of QC and SSP software
    – #moderni #klinci #wikipedia
    – "CP2K ima sve Yes, mora da je ful dobar"
    

    View Slide

16. Stvarno, zašto CP2K?
    Izvor: http://cp2k.org/science
    

    View Slide

17. Opis CP2K
    "CP2K is a program to perform atomistic and
    molecular simulations of solid state, liquid,
    molecular, and biological systems."
    

    View Slide

18. Korištene fizikalne metode
    "It provides a general framework for different
    methods such as e.g., density functional
    theory (DFT) using a mixed Gaussian and
    plane waves approach (GPW) and classical
    pair and many-body potentials."
    

    View Slide

19. Programski jezik i licenca
    "CP2K is freely available under the GPL
    license. It is written in Fortran 95 and can
    be run efficiently in parallel."
    

    View Slide

20. Dokumentacija
    ●
    http://manual.cp2k.org/
    ●
    http://cp2k.org/exercises
    ●
    CECAM / HP2C 3rd CP2K Tutorial
    ●
    NSCCS / ARCHER CP2K UK Workshop 2014
    

    View Slide

21. Algoritmi u CP2K
    ●
    Podaci o atomima zapisani su u rijetkoj matrici
    ●
    Rezultat zahtijeva računanje produkta matrica
    ●
    Biblioteka DBCSR (Distributed Blocked
    Compressed Sparse Row)
    – CPU kod u Fortranu
    – GPU kod u CUDA C-u
    – Preliminarna podrška za Xeon Phi
    

    View Slide

22. Izvor: http://www.nanosim.mat.ethz.ch/research/CP2K
    CP2K Performanse
    

    View Slide

23. Efikasnost izvođenja
    "We usually run simulations like at 50%
    parallel efficiency just to reduce our waiting
    time from six months to one month."
    -- Joost VandeVondele, "Petascale
    resources and CP2K",
    http://youtu.be/teHVWKwBOTU @ 22:35
    

    View Slide

24. View Slide

25. Je li to dovoljno jako?
    "Ne mogu oni kupiti toliko jako superračunalo
    koliko ja mogu staviti membrana."
    -- doc. dr. sc. Željko Svedružić
    

    View Slide

26. Naši planovi
    ●
    Daljnja zamjena komercijalnih i besplatnih alata
    open source alternativama
    – primarno GROMACS i CP2K
    ●
    Migracija nastave kolegija na Linux
    – Kemoinformatika (lakše)
    – Dizajn biološki aktivnih molekula računalnim
    metodama (teže)
    ●
    Uključivanje u razvoj softvera
    – Prvi commitovi već ušli u GROMACS i CP2K
    

    View Slide

27. Hvala na pažnji!
    vmiletic@inf.uniri.hr
    

    View Slide