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机群系统中实现量子化学从头算并行计算的研究

作　者: 王奇
导　师: 刘信安
学　校: 重庆大学
专　业: 物理化学
关键词: PC机群系统并行算法量子化学从头计算
分类号: O641
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

随着计算机技术的飞速发展及计算方法的不断丰富，量子化学计算已经成为与理论分析和实验并列的强有力化学研究手段，在揭示和预测各种化学、物理和生物现象的行为过程中扮演着不可替代的重要角色。在大分子计算领域，特别是生物、药物和高聚物大分子的量子化学计算，由于计算量异常庞大，对计算机的性能提出了越来越高的要求。然而，专用的高端并行计算系统成本昂贵，普及程度低。因此，由多台PC机构成的机群环境量子化学并行计算的研究与应用就有了极其重要的实用价值。机群环境并行计算是当前计算机科学研究与应用领域中的前沿课题。PC机群系统具有性价比高、通用性好、可扩展性强和用户编程灵活等特点，其应用范围日益广泛。本论文研究PC机群环境及量子化学从头算的并行计算，主要包括以下几方面的内容： 1．在高速局域网内，以Windows2000操作系统、Cygwin软件包组建量子化学计算并行机群系统，为从头计算并行化提供计算平台； 2．量子化学计算分布式数据接口在Cygwin环境中的Socket模拟，分离量子化学计算与分布式数据管理； 3．机群系统中量子化学从头计算的并行化算法设计和实例计算，验证机群环境中量子化学并行计算的有效性。本论文分析比较几种实用的并行机体系结构，研究了并行算法设计，并行程序设计方法等问题，探讨了并行机群系统(或称网络并行计算系统)、实现量子化学从头计算方法并行计算的相关技术。通过利用实验室中现有微机建立Windows机群系统，采用Cygwin组件实现并行分布式数据接口，实现从头计算并行算法，并以结构优化的量子化学从头算算例验证了量子化学并行计算在Window机群系统上的可行性。结果表明：多机并行计算可以缩短计算时间，提高计算效率，不但充分利用现有硬件资源，还有效拓宽了大型量子化学计算的范围。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-7
1 绪论  7-14
  1.1 化学理论计算发展及其并行化需求  7-8
  1.2 并行机的发展历程  8-10
  1.3 并行机群系统概况  10-11
  1.4 并行计算发展现状  11-12
  1.5 本文的目的和主要工作  12-14
2 机群系统与并行程序设计  14-33
  2.1 并行机体系结构  14-21
    2.1.1 对称多处理共享存储并行机  14-15
    2.1.2 分布共享存储并行机  15-16
    2.1.3 大规模并行机  16-18
    2.1.4 机群系统  18-21
  2.2 并行计算与MPI程序设计  21-33
    2.2.1 基本概念与程序设计方法  21-25
    2.2.2 并行算法分类及性能参数  25-28
    2.2.3 MPI并行程序及编程实例  28-33
3 从头算并行程序实现与结果分析  33-61
  3.1 软硬件配置  33-36
    3.1.1 硬件配置  33
    3.1.2 软件配置  33-36
  3.2 从头算并行程序设计  36-57
    3.2.1 量子化学从头计算理论  36-42
    3.2.2 构造Fock矩阵  42-48
    3.2.3 求解矩阵特征值  48-50
    3.2.4 Socket实现分布数据接口  50-55
    3.2.5 初始化进程设计  55-57
  3.3 机群运算实例及结果分析  57-61
4 结论与展望  61-63
  4.1 主要结论  61-62
  4.2 后续研究工作的展望  62-63
致谢  63-64
参考文献  64-67
附录:硕士学习期间论文发表情况  67-68

机群系统中实现量子化学从头算并行计算的研究

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