Пареллельные алгоритмы и атомистическое многомасштабное моделирование материалов

Заказчики

Программа фундаментальных исследований НИУ ВШЭ​

Исполнитель

Международная лаборатория суперкомпьютерного атомистического моделирования и многомасштабного анализа НИУ ВШЭ​

Руководитель проекта

Стегайлов Владимир Владимирович​

Цель исследования

Разработка и применение параллельных алгоритмов классических и квантовых молекулярно-динамических расчетов для многомасштабного моделирования материалов.​

Результат

Разработан алгоритм матричного умножения для систем с несколькими GPU-ускорителями, объединенными высокоскоростной шиной передачи данных NVLink.​ Проведено моделирование процесса образования фуллереноподобных углеродных наноструктур и определены наилучшие параметризации реакционного потенциала межатомного взаимодействия для углерода ReaxFF.​

Публикации

1. Choi Y. R., Nikolskiy V., Stegailov V. Matrix-Matrix Multiplication Using Multiple GPUs Connected by Nvlink // Proceedings of IEEE: 2020 Global Smart Industry Conference (GloSIC) 2020
2. Fedorov I. D., Orekhov N. D., Stegailov V. V. NBelonoshko A., Smirnov G. A Comparison of Experimental and Ab Initio Structural Data on Fe under Extreme Conditions // Metals, 2023onadiabatic Shutikova M. I., V. V. Stegailov. Frenkel pair formation energy for cubic Fe3O4 in DFT + U calculations // Journal of Physics Condensed Matter, 2022effects and excitonlike states during the insulator-to-metal transition in warm dense hydrogen // Physical Review B, 2020 (Q1)
3. Antropov A., Stegailov V. Nanobubbles diffusion in bcc uranium: Theory and atomistic modelling // Journal of Nuclear Materials, 2020 (Q1)
4. Orekhov N., Ostroumova G., Stegailov V. High temperature pure carbon nanoparticle formation: validation of AIREBO and ReaxFF reactive molecular dynamics // Carbon, 2020 (Q1)
5. Bakulin I., Kondratyuk N,, Lankin A., Norman G. Properties of aqueous 1,4-dioxane solution via molecular dynamics // Journal of Chemical Physics, 2021 (Q1)
6. Antropov, Stegailov  V. Ultrafast diffusion of overpressurized gas filled nanobubbles in UO2 // Journal of Nuclear Materials, 2021 (Q1)
7. Orekhov N., Kondratyuk N., Logunov M., Timralieva A., Shilovskikh V., Skorb E.V.. Insights into the Early Stages of Melamine Cyanurate Nucleation from Aqueous Solution // Crystal Growth and Design, 2021 (Q1)
8. Bychkov A., Nikolskiy V. Rust language for supercomputing application // Supercomputing. RuSCDays 2021. Communications in Computer and Information Science (Q4)
9. Khalilov M., Timoveev A. Performance analysis of CUDA, OpenACC and OpenMP programming models on TESLA V100 GPU // Journal of Physics: Conference Series, 2021 (Q3)
10. Choi Y. R., Nikolskiy V., Stegailov V. Tuning of a Matrix-Matrix Multiplication Algorithm for Several GPUs Connected by Fast Communication Links // Parallel Computational Technologies, 2022
11. Shutikova M. I., V. V. Stegailov. Frenkel pair formation energy for cubic Fe3O4 in DFT + U calculations // Journal of Physics Condensed Matter, 2022 (Q2)
12. Nikolskiy V., Pavlov D., Stegailov V. State-of-the-Art Molecular Dynamics Packages for GPU Computations: Performance, Scalability and Limitations // Supercomputing. RuSCDays 2022. Lecture Notes in Computer Science (Q4)
13. Garkul A., Stegailov V. Molecular dynamics analysis of elastic properties and new phase formation during amorphous ices transformations // Scientific Reports, 2022 (Q1)
14. Choi Y. R., Stegailov V. Multi-GPU GEMM Algorithm Performance Analysis for Nvidia and AMD GPUs Connected by NVLink and PCIe // 22nd International Conference MMST, 2022
15. Belonoshko A., Smirnov G. A Comparison of Experimental and Ab Initio Structural Data on Fe under Extreme Conditions // Metals, 2023 (Q1)
16. Pavlov D., Kolotinskii D., Stegailov V. GPU-Based Molecular Dynamics of Turbulent Liquid Flows with OpenMM // Parallel Processing and Applied Mathematics. PPAM 2022. Lecture Notes in Computer Science (Q3)
17. Kondratyuk N. et al. First-principles calculations of the viscosity in multicomponent metallic melts: Al-Cu-Ni as a test case //Journal of Molecular Liquids, 2023 (Q1)
18. Fedorov I.D., Stegailov V.V. Exciton Nature of Plasma Phase Transition in Warm Dense Fluid Hydrogen: ROKS Simulation // ChemPhysChem, 2023 (Q1)
19. Choi, Y.R., Stegailov, V. (2023). GPU-Accelerated Matrix Exponent for Solving 1D Time-Dependent Schrödinger Equation. In: Voevodin, V., Sobolev, S., Yakobovskiy, M., Shagaliev, R. (eds) Supercomputing. RuSCDays 2023. Lecture Notes in Computer Science, vol 14388. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-49432-1_8
20. Fedorov ID, Stegailov VV. First-principles molecular dynamics of exciton-driven initial stage of plasma phase transition in warm dense molecular nitrogen. J Chem Phys. 2024 Oct 21;161(15):154503. doi: 10.1063/5.0233822. PMID: 39404218. (Q1)
21. I.K. Bakulin, I.V. Kopanichuk, N.D. Kondratyuk. Molecular-level insights to structure and hydrogen bonds network of 1,4-dioxane aqueous solution // Journal of Molecular Liquids, 2024 (Q1)
22. Khnkoian G.V., Nikolaev V.S., V.V. Stegailov. Towards atomistic modelling of solid Pb-O formation and dissolution in liquid lead coolant: interatomic potential development // Journal of Nuclear Materials, 2024 (Q1)
23. Pavlov D, Galigerov V, Kolotinskii D, Nikolskiy V, Stegailov V. GPU-based molecular dynamics of fluid flows: Reaching for turbulence. The International Journal of High Performance Computing Applications. 2024;38(1):34-49. doi:10.1177/10943420231213013 (Q2)
24. Fominykh, Nikita, and Vladimir Stegailov. "Trimeron ordering, bandgap, and polaron hopping in magnetite." Physical Review B 111.11 (2025): 115130. (Q1)
25. Gliaudelis, G. & Lukyanchuk, V. & Chtchelkatchev, Nikolay & Saitov, Ilnur & Kondratyuk, Nikolay. (2025). Dynamical properties of hydrogen fluid at high pressures. The Journal of Chemical Physics. 162. 24504. 10.1063/5.0236394. (Q1)

Рисунки

Рис. 1. Наилучшие параметризации реакционного потенциала межатомного взаимодействия для углерода ReaxFF


Рис. 2. График зависимости производительности от размера данных и выделенных ресурсов

Рис. 3. Моделирование процесса образования фуллереноподобных углеродных наноструктур