高性能技术化学应用系统
时间：2008-11-22 18:08:00
来源：UltraLAB图形工作站方案网站
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作者：admin
“高性能计算化学应用系统”近年来，随着计算硬件的飞速发展，理论化学派生出许多应用型计算技术，如分子模拟和分子图形学、计算机辅助分子设计、化学信息学、生物信息学等。科学家们已运用这些技术成功解释了许多化学现象，甚至对实验科学中的某些错误认识加以纠正；并依据计算结果获得了具有预期功能的新材料和高效药物，在理论研究和社会经济效益方面均取得了巨大成功。为促进中科院及我国理论计算化学的发展，依托于中科院计算机网络信息中心超级计算中心、融合计算化学、高性能计算和网格技术的“计算化学虚拟实验室”于2004年成立。通过集成国内计算化学的科研力量，为广大计算化学科研人员提供了科学计算研究、软件开发、学术交流、技术培训的科研工作平台；中科院超算中心在现代超级计算和网格技术上的多年工作积累，将为本项目的实施发挥重大的作用。
需求
（1）有效利用新一代高效能计算机以及中国国家网格的资源
随着新一代国产高效能计算机的研制以及中国国家网格的成功运行，有效地利用更大的并行性，研制具有良好可扩展性的高性能计算应用系统，已成为一项迫切和有重大意义的任务。本课题通过针对专项研制的百万亿次高效能计算机与总容量750TB的存储系统，研制、开发以计算化学为典型应用的高性能计算系统SCChem，为高性能计算提供典型应用方案，为计算化学研究提供便捷高效的计算服务。
（2）突破计算瓶颈
随着计算化学研究体系的扩大，计算量成几何级数增长，大大超前于计算机硬件的发展。为克服这个瓶颈，开发基于高性能计算的计算化学大型应用系统SCChem具有突破性意义。
（3）计算化学研究自主创新
我国计算化学软件的研制虽然起步较晚，但发展势头非常喜人，目前已有多个有代表性、在国际上居前沿的软件。SCChem的开发对于提高我国计算化学研究水平、提升其国际地位及扩大其国际影响，使我国计算化学软件的研制实现跨越式和可持续性发展具有十分重要的现实意义。
（4）广阔的应用前景
随着计算机硬件水平的飞速提高，理论化学获得了长足的进步。化学家们根据计算结果成功解释了很多化学现象，纠正了实验化学中的某些错误认识，获取了具有预期功能的新材料和高效药物。计算化学软件已广泛地应用于新材料的设计、新药物的发现、化学反应过程模拟等关乎多个国计民生的领域。从高性能计算化学软件的发展及应用现状来看，其研发具有起点高、用户广、需求大的特点，这将使本项目的成果具有广阔的应用前景。
目标与内容
（1）前后处理模块的研制、开发、完善
具有完全自主知识产权的跨平台3D可视化分子建模软件GridMol的设计、研制、开发、功能丰富及升级完善。将其包装为现有自主知识产权的计算化学专业软件包的外部界面，实现计算程序包的前后处理功能简洁化、图形化、专业化及计算结果的可视化，从而提高这些软件包的易用性。特别是确保其能在新一代国产高效能计算机上运行，达到良好的可扩展性。
研制高效分子结构优化的并行算法，用于处理小分子和生物大分子的结构优化问题。
（2）商业软件接口模块的开发与研制
研制GridMol软件与著名量子化学软件Gaussian、Molpro、ADF的接口。通过对上述商业计算软件的接口界面的分析，实现GridMol与这些软件的无缝连接，使广大用户可使用GridMol调用上述计算软件执行计算任务进行科学研究。 #p#page_title#e#
（3）计算软件的集成、标准化和并行化
具有较广泛的国际影响力的、拥有较高国际知名度的完全拥有自主知识产权的量子化学计算软件的集成化、标准化和并行化。国内现有的优秀化学计算软件（BDF、Xian_CI等）将集成在GridMol的界面下，实现作业提交的标准化、智能化，经过基于网格的分布式计算之后，计算的结果自动返回并经后处理界面预分析处理，提升计算结果的可视化性能。同时对现有代码进行优化，并加入并行算法。软件开发过程中，研制与软件相适应的并行算法，使代码的运行可充分利用中国国家网格的资源，提高并行效率，从而推广高性能计算在计算化学领域的应用。
研制开发具有完全自主知识产权的、基于扩散蒙特卡罗法（DMC）的程序DMC2ZPE实现分子基态性质的计算。并将其集成在SCChem平台上，实现该程序在网络环境下的并行化、通用化、标准化以及易用化，并拓展该方法在生物、纳米材料等领域的应用。
在网络环境下，实现应用层面的互联互通、资源共享和协同工作，显著提高软硬件资源以及智力资源的利用率和自主知识产权的计算化学软件在计算化学领域的应用水平。
（4）高性能并行算法研究
充分利用国产新机器的新特性做好程序优化工作，提高并行化程度，寻求合适的并行模型和高效的并行算法，获得尽可能高的加速比，提高并行效率。
开展有限元方法大规模计算的可扩展性并行计算的研究，选取有限元方法在化学、地震等领域中的典型应用问题，实现有效利用大于1024个处理器的并行计算应用。
提供的服务及取得的成果
本期建设的主要内容及预期成果简介
我们的高性能计算化学应用系统根据目前计算化学研究中的需求，提供的服务将主要包括：分子计算、分子建模、分子可视化以及计算结果分析。
（1）基于中国国家网格的高性能计算化学应用系统SCChem运行在中国国家网格环境下，可实现分子建模、提交计算化学作业、查看作业、进行结果智能化处理以及可视化等功能，并具备良好的可扩展性。
（2）GridMol软件可进行三维可视化分子建模及后处理，并兼容现有流行计算化学软件的数据格式。
（3）在用户初步构建好分子模型后，提供分子力学预优化功能。
（4）实现自主开发计算化学软件如BDF、Xian_CI、DMC2ZPE等执行科学计算，同时也提供著名商业软件Gaussian03、ADF、Molpro的计算接口。
（5）实现一个有效利用1024个处理器的大型计算应用实例。获得较高的并行效率，对固定工作负载、固定时间与固定存储器的情况，实现较高的加速比。对等效率、等速度、等利用率的并行计算模型，获取良好的系统可扩展性。
（6）发表核心期刊学术论文8篇以上。
（7）培养博士研究生1名，硕士研究生2名。
（8）预期将获得软件著作权3项，发明专利或者实用新型专利1项。
需求（1）有效利用新一代高效能计算机以及中国国家网格的资源
随着新一代国产高效能计算机的研制以及中国国家网格的成功运行，有效地利用更大的并行性，研制具有良好可扩展性的高性能计算应用系统，已成为一项迫切和有重大意义的任务。本课题通过针对专项研制的百万亿次高效能计算机与总容量750TB的存储系统，研制、开发以计算化学为典型应用的高性能计算系统SCChem，为高性能计算提供典型应用方案，为计算化学研究提供便捷高效的计算服务。
（2）突破计算瓶颈
随着计算化学研究体系的扩大，计算量成几何级数增长，大大超前于计算机硬件的发展。为克服这个瓶颈，开发基于高性能计算的计算化学大型应用系统SCChem具有突破性意义。
（3）计算化学研究自主创新
我国计算化学软件的研制虽然起步较晚，但发展势头非常喜人，目前已有多个有代表性、在国际上居前沿的软件。SCChem的开发对于提高我国计算化学研究水平、提升其国际地位及扩大其国际影响，使我国计算化学软件的研制实现跨越式和可持续性发展具有十分重要的现实意义。
（4）广阔的应用前景
随着计算机硬件水平的飞速提高，理论化学获得了长足的进步。化学家们根据计算结果成功解释了很多化学现象，纠正了实验化学中的某些错误认识，获取了具有预期功能的新材料和高效药物。计算化学软件已广泛地应用于新材料的设计、新药物的发现、化学反应过程模拟等关乎多个国计民生的领域。从高性能计算化学软件的发展及应用现状来看，其研发具有起点高、用户广、需求大的特点，这将使本项目的成果具有广阔的应用前景。
目标与内容（1）前后处理模块的研制、开发、完善
具有完全自主知识产权的跨平台3D可视化分子建模软件GridMol的设计、研制、开发、功能丰富及升级完善。将其包装为现有自主知识产权的计算化学专业软件包的外部界面，实现计算程序包的前后处理功能简洁化、图形化、专业化及计算结果的可视化，从而提高这些软件包的易用性。特别是确保其能在新一代国产高效能计算机上运行，达到良好的可扩展性。
研制高效分子结构优化的并行算法，用于处理小分子和生物大分子的结构优化问题。
（2）商业软件接口模块的开发与研制
研制GridMol软件与著名量子化学软件Gaussian、Molpro、ADF的接口。通过对上述商业计算软件的接口界面的分析，实现GridMol与这些软件的无缝连接，使广大用户可使用GridMol调用上述计算软件执行计算任务进行科学研究。 #p#page_title#e#
（3）计算软件的集成、标准化和并行化
具有较广泛的国际影响力的、拥有较高国际知名度的完全拥有自主知识产权的量子化学计算软件的集成化、标准化和并行化。国内现有的优秀化学计算软件（BDF、Xian_CI等）将集成在GridMol的界面下，实现作业提交的标准化、智能化，经过基于网格的分布式计算之后，计算的结果自动返回并经后处理界面预分析处理，提升计算结果的可视化性能。同时对现有代码进行优化，并加入并行算法。软件开发过程中，研制与软件相适应的并行算法，使代码的运行可充分利用中国国家网格的资源，提高并行效率，从而推广高性能计算在计算化学领域的应用。
研制开发具有完全自主知识产权的、基于扩散蒙特卡罗法（DMC）的程序DMC2ZPE实现分子基态性质的计算。并将其集成在SCChem平台上，实现该程序在网络环境下的并行化、通用化、标准化以及易用化，并拓展该方法在生物、纳米材料等领域的应用。
在网络环境下，实现应用层面的互联互通、资源共享和协同工作，显著提高软硬件资源以及智力资源的利用率和自主知识产权的计算化学软件在计算化学领域的应用水平。
（4）高性能并行算法研究
充分利用国产新机器的新特性做好程序优化工作，提高并行化程度，寻求合适的并行模型和高效的并行算法，获得尽可能高的加速比，提高并行效率。
开展有限元方法大规模计算的可扩展性并行计算的研究，选取有限元方法在化学、地震等领域中的典型应用问题，实现有效利用大于1024个处理器的并行计算应用。
提供的服务及取得的成果 本期建设的主要内容及预期成果简介我们的高性能计算化学应用系统根据目前计算化学研究中的需求，提供的服务将主要包括：分子计算、分子建模、分子可视化以及计算结果分析。
（1）基于中国国家网格的高性能计算化学应用系统SCChem运行在中国国家网格环境下，可实现分子建模、提交计算化学作业、查看作业、进行结果智能化处理以及可视化等功能，并具备良好的可扩展性。
（2）GridMol软件可进行三维可视化分子建模及后处理，并兼容现有流行计算化学软件的数据格式。
（3）在用户初步构建好分子模型后，提供分子力学预优化功能。
（4）实现自主开发计算化学软件如BDF、Xian_CI、DMC2ZPE等执行科学计算，同时也提供著名商业软件Gaussian03、ADF、Molpro的计算接口。
（5）实现一个有效利用1024个处理器的大型计算应用实例。获得较高的并行效率，对固定工作负载、固定时间与固定存储器的情况，实现较高的加速比。对等效率、等速度、等利用率的并行计算模型，获取良好的系统可扩展性。
（6）发表核心期刊学术论文8篇以上。
（7）培养博士研究生1名，硕士研究生2名。
（8）预期将获得软件著作权3项，发明专利或者实用新型专利1项。
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