8th Symposium	

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 公募型共同研究 平成２８年度採択課題	

jh160040-NAJ	

安藤 嘉倫 (名古屋大学工学研究科附属計算科学連携教育研究センター)

分子動力学計算ソフトウェアMODYLASのメニーコアおよびワイドSIMDアーキテクチャ対応並列化に関する研究		
研究背景

研究目的

分子動力学 (MD) 計算・化学,	   物理,	   生物,	   およびウィルス学といった様々な学問分野において実験とならぶ解析ツールとして広く普及	  	  ・工業分野においても,	   分子の特性を活かしたナノ機能性材料や高分子材料を設計するツールとして普及しつつある.	  	

汎用分子動力学計算ソフトウェアMODYLAS[1]	  に対して,昨年度に引き続き,メニーコア計算機	  (FX100	  および	  Xeon-­‐Phi)	  の性能を発揮させるため以下チューニングを行う.	  
・OpenMP並列性能チューニング	  ・ワイドSIMD並列性能チューニング	  ・Tofu2への最適化	  長距離静電相互作用の計算を含めた大規模かつ長時間なMD計算を行うことにより,学問上のブレークスルーが期待できるだけでな
く,	  より高精度高効率な材料設計が可能になる.	

将来のエクサスケールマシン上において数億から	  10億原子系での実用的なMD計算を可能にする.	

分子動力学(MD)計算

MD計算研究の対象
d 2 rimi 2 = Fidt

Fi (t + !t)

Fi (t)

力場関数

U tot =+Δt	

" K (b ! b ) + " K (! ! ! ) + " K (s ! s )
2b2

0

2

20ub

+ " K" [1+ cos(n" ! # )] +" K (! ! ! )20!

impropers6,)# &12#&Rij
Rij . qi q j++ " "ij %% (( ! 2 %% (( ++$ rij '$ rij ' .- rij
nonbonds*t	  =	  t	  +	  Δt	

ベルレ法:	 r(t + !t) = 2r(t) ! r(t ! !t) + !tubanglesdihedralst	  =	  t	

0!

bonds

ri (t + !t)ri (t)

www.modylas.org

F(t)mExchange	  rate	  of	  water:	  8±2	  ns-­‐1	

厳密・高速に計算	

高速多重極展開法(FMM)

メタンハイドレート融解過程のMD計算[3].	  
25万原子系,	   100	   ns.	   	   J.	   Phys.	   Chem.	   B,	  118,	  1900	  (2014);	  118,	  11797	  (2014)	
ナフィオン分子	多極子Ewald法	  (無限遠からの寄与)	  +	M2L	Hot	  spot	
その2M2M	
展開中心	

p2p	

点電荷	

L2L	
展開中心	

Hot	  spot		  p2M	「京」コンピューターを使ったポリオウィルスの	  MD	  計算[2].	  
カプシドタンパク質,	  イオン,	  水,	  合計650万原子系,	  200	  ns.	  
J.	  Chem.	  Phys.,	  141,	  165101	  (2014)[2]	  情報処理学会誌「情報処理」,	  55,	  798	  (2014)	  	その1点電荷	L2p	・計算量 O(N)	  ・全対全通信なし	

メニーコア対応並列化 
FX100	p2p	

将来の計算対象候補：燃料電池ナフィオン高分子膜の全原子MD計算	

SIMDの事前評価

M2L+L2L	

FX100	  (256bit)	 詳細PA	  	  (16スレッド実行)	

Xeon	  Phi	p2p	SIMD命令率	
(/有効総命令数)	  p2p	0%	  p2p	
オリジナル	  (セル内原子分割)	

改良その１	  (カラム内原子分割)	

改良その2	  (セル単位)	

粒度 ： 小	  (セル内原子数)	  スレッド数上限 ：	  40	

粒度 ： 中	  スレッド数上限 ：	  40N	

粒度 ： 中	  スレッド数上限 ：	  25N3	

粒度不足	  によるインバランス	

240スレッドまで
負過均等化	

10%	  SIMD浮動小数点演算命令率	
(/SIMD対象浮動小数点演算命令数)	  20%	  SIMD整数演算命令率	
(/SIMD対象整数演算命令数)	  SIMDロード・ストア命令率	
(/SIMD対象ロード・ストア命令数)	  30%	  40%	  50%	  60%	  70%	  80%	  90%	  100%	  30%	  40%	  50%	  60%	  70%	  80%	  90%	  100%	  30%	  40%	  50%	  60%	  70%	  80%	  90%	  100%	  Process	  改良その2	  (セル単位)		  energy_fmm_2	

お	0%	  M2L	  +L2L	

10%	  20%	  Process	  chunkサイズ	  に改善点あり	

M2L	  +L2L	

200スレッドまで負過均等化		  energy_fmm_3	0%	  10%	  20%	  Process	  

研究計画

研究体制

1年目：基礎評価とメニーコア対応コード作成
2年目：SIMD対応 (最適化) コード作成と最終性能評価
第一期（４月~６月） 	  SIMD事前評価 FX10	  (128bit),	  FX100	  (256bit),	  Xeon	  Phi	  (512bit)	
第二期（７月~９月） 	  コード改良 FX100	  (256bit),	  Xeon	  Phi	  (512bit)	
第三期（１０~１２月） 	  更なる高度化,	  および数億原子系での実際のMD計算テスト	  第四期（１~３月）	  FX100上でのコード最終性能評価	  3年目(平成29年度)：大規模Xeon phiクラスター対応コード作成と性能評価(予定)
自動性能チューニング技術によるチューニングパラメータ最適化も並行して実施	  名古屋大学	  安藤嘉倫	  (代表), 坂下達哉,	  浅野優太,	  藤本和士,	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	   吉井範行,篠田渉,	  岡崎進	  名古屋大学 情報基盤センター 荻野正雄(副代表),	  片桐孝洋	  東京大学 情報基盤センター 大島聡史	  (副代表)	  理研AICS 	  鈴木惣一朗	

参考文献	  	  [1]	  Y.Andoh,	  N.	  Yoshii,	  et	  al.,	  J.	  Chem.	  Theory	  Comput.,	  9,	  3201	  (2013).	  [2]	  Y.	  Andoh,	  N.	  Yoshii,	  et	  al.,	  J.	  Chem.	  
Phys.,	  141,	  165101	  (2014).	  [3]	  T.	  Yagasaki,	  M.	  Matsumoto,	  et	  al.,	  J.	  Phys.	  Chem.	  B,	  118,	  1900	  (2014);	  118,	  11797	  (2014).	  	

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 第８回シンポジウム	
2016年 7月 14日，15日 	

THE	  GRAND	  HALL	  （品川）