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TU Berlin

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Thema:

Parallele Molekulardynamik-Simulation von Wasser auf einem SCI-Clusterrechner

Bearbeiter:

Christan Rüther, 2000

Aufgabenstellung:

Eine der wichtigsten Anwendungen im Bereich des wissenschaftlichen Rechnens ist die Simulation physikalischer und chemischer Vorgänge. Simulationen können Experimente nicht nur in vielen Fällen ersetzen, sondern erlauben manchmal Untersuchungen, bei denen ein echtes Experiment gar nicht möglich ist. Im Bereich molekularar Vorgänge greift man auf die sogenannte Vielteilchensimulation (N-Body-Simulation) zurück, bei der eine Menge von Teilchen oder Massepunkten gegeben ist. Alle Teilchen sind bestimmt durch ihre Masse, ihren Ort, ihre Bewegungsgröße und eventuell weitere Eigenschaften. Zwischen den Teilchen gibt es nun Wechselwirkungen, d.h. Anziehungs- oder Abstoßungskräfte verschiedenster Art, je nachdem welche Teilchen man betrachtet. Da prinzipiell jedes Teilchen mit jedem anderen interagiert, müssen bei n Teilchen in jedem Zeitschritt n2 Kräfte berechnet werden. Da alle Wechselwirkungen in ihrer Stärke mit der Distanz der Teilchen abnehmen, kann man weiteren Rechenaufwand einsparen, indem man Teilchen, die zu weit entfernt sind, um noch einen signifikanten Effekt zu haben, einfach ignoriert. Manche Kräfte, wie etwa die Coulomb-Kraft, schwinden im Quadrat mit der Entfernung, andere, etwa im molekularen oder atomaren Bereich, sogar mit der 5. oder 6. Potenz. In diesem Fall müssen nur Teilchen in der direkten Umgebung berücksichtigt werden. Man definiert dann einen sogenannten Cut-off-Radius, der die Wirkung einer Kraft räumlich begrenzt. Kennt man alle auf ein gebebenes Teilchen einwirkenden Kräfte, so kann man für den nächsten Zeitschritt die geänderten Größen (z.B. Position, Geschwindigkeit) aktualisieren. Bei einer parallelen Berechnung muß man die Teilchen auf die Prozessoren verteilen und dabei eine gleichmäßige Verteilung der Rechenlast anstreben. Ein Ansatz besteht darin, das gesamte modellierte Volumen in so viele Subvolumina zu teilen wie Prozessoren vorhanden sind (space decomposition). Bei gleich großen Subvolumina führt diese Lastverteilung nur dann zu einer ausgeglichenen Rechenlast, wenn die Teilchen gleichmäßig über den Raum verteilt sind. Andere Ansätze weisen den Prozessoren statisch bestimmte Teilchen zu oder verteilen die Kräfteberechnung. Die Diplomarbeit besteht darin, ein paralleles Simulationsprogramm für Wasser unter Ausnutzung des verfügbaren verteilten gemeinsamen Speichers auf einem SCI-Clusterrechner zu entwickeln. Als Parallelisierungsansatz soll die space decomposition gewählt werden.

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