Algorithmic and Implementational Optimizations of Molecular Dynamics Simulations for Process Engineering

The focus of this work lies on implementational improvements and, in particular, node-level performance optimization of the simulation software ls1-mardyn. Through data structure improvements, SIMD vectorization and, especially, OpenMP parallelization, the world’s first simulation of 2*1013 molecules at over 1 PFLOP/sec was enabled. To allow for long-range interactions, the Fast Multipole Method was introduced to ls1-mardyn. The algorithm was optimized for sequential, shared-memory, and distributed-memory execution on up to 32,768 MPI processes.
Der Fokus dieser Arbeit liegt auf Code-Optimierungen und insbesondere Leistungsoptimierung auf Knoten-Ebene für die Simulationssoftware ls1-mardyn. Durch verbesserte Datenstrukturen, SIMD-Vektorisierung und vor allem OpenMP-Parallelisierung wurde die weltweit erste Petaflop-Simulation von 2*1013 Molekülen ermöglicht. Zur Simulation von langreichweitigen Wechselwirkungen wurde die Fast-Multipole-Methode in ls1-mardyn eingeführt. Sequenzielle, Shared- und Distributed-Memory-Optimierungen wurden angewandt und erlaubten eine Ausführung auf bis zu 32768 MPI-Prozessen.