SVILUPPO DI SOFTWARE AD ALTE PRESTAZIONI PER LA SCIENZA DEI MATERIALI

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VILUPPO DI SOFTWARE AD ALTE

PRESTAZIONI PER LA SCIENZA DEI MATERIALI

Fin dalle sue origini, il gruppo di Scienza dei Materiali del CASPUR ha fatto dello sviluppo di software scientifico un pilastro della propria azione di supporto verso il sistema della ricerca. La progettazione, l’implementazione e l’evoluzione di CMPTool/CMSapi [1], una libreria per il rapido sviluppo di codici per le simulazioni atomistiche, ha consentito, da un lato, di ottimizzare ed evolvere i codici in house dell’utenza, dall’altro, di fare ricerca me-todologica. Il risultato più rilevante di quest'ultima attività è il metodo del reordering on-the-fly [2], una tecnica che oggi è ampiamente utilizzata nel settore delle simulazioni atomistiche.

Per condurre i propri esperimenti al computer, i ricercatori interessati al materials modeling stanno convergendo, negli ultimi anni, verso l’uso di software di comunità: il gruppo di Scienza dei Materiali ha seguito questo trend, focalizzando la propria attività di sviluppo software sull’implementazione di metodi e modelli in package quali LAMMPS, PLUMED e CP2K.

Offerta

Accanto all’attività di ricerca di nuovi metodi per la simulazione atomistica e alla loro applicazione nello studio delle proprietà di materiali innovativi, il gruppo di Scienza dei Materiali utilizza le proprie competenze per mettere a disposizione degli utenti del Consorzio un insieme di strumenti che sia il più funzionale possibile al raggiungimento dei loro obiettivi scientifici.

In primo luogo una significativa attività è tesa a garantire il funzionamento ottimale sui sistemi di calcolo del Consorzio dei principali software di comunità (CPMD, CP2K, VASP, QuantumEspresso, LAMMPS, DL_POLY, …) e fornire all’utenza il relativo supporto; in molti casi questa tipologia di azione si estende allo sviluppo di soluzioni per l’analisi dei dati con i più moderni strumenti di post-processing e di visualizzazione.

Altrettanto significative sono poi le compe-tenze di sviluppo di software scientifico, che sono utilizzate per l’implementazione, l’otti-mizzazione e la parallelizzazione di algoritmi per le simulazioni atomistiche sia in codici in-house che di comunità. Un risultato di questa tipologia d’attività, negli anni, è stato lo svi-luppo della suite di calcolo CMPTool/CMSapi [1], che oggi raccoglie lo stato dell’arte dei me-todi teorici per le simulazioni atomistiche. Al suo interno sono state implementate soluzioni innovative che hanno permesso di ottenere una sorprendente efficienza com putazionale. Di recente il gruppo ha anche sperimentato con successo le tecnologie GPU e partecipa al por-ting e all’estensione di numerosi codici con questa tecnologia.

Fig. 1 (Sinistra) Potenziale a cui è soggetta la quasi-particella quan-tistica rappresentante una vacanza in un cristallo 2D di particelle Week-Chandler-Andersen. (Destra) Corrispondente densità di proba-bilità (cortesia di P.A. Geslin, G. Ciccotti, E. Vanden-Eijnden e S. Meloni, articolo sottomesso a Journal of Chemical Theory and Computation).

0 75 150 0,015 0,1325 0,25

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Collaborazioni

Delle collaborazioni scientifiche del gruppo si parla in un’altra scheda di questo stesso volume (“Simulazioni atomistiche: studio di eventi rari e calcolo dell’energia libera”), di seguito descriviamo solo quelle di natura più tecnica:

• implementazione in LAMMPS dei potenziali d’interazione per la scienza dei materiali (EDIP, Aug-mented-Tersoff) e loro ottimizzazione e parallelizzazione con OpenMP e CUDA, in collaborazione con il gruppo di sviluppo di LAMMPS [3];

• implementazione in CP2K, DL_Poly Classic e PLUMED di nuove tecniche per la simulazione di eventi rari, incluso lo sviluppo di nuove coordinate collettive, in collaborazione con A.M. Elena e M. Lauricella (University College Dublin), A. Giacomello (Sapienza, Università di Roma) e F. Sterpone (CNRS Paris);

• sviluppo di tool per simulazioni di tipo Non-Equilibrium Molecular Dynamics in LAMMPS per lo studio del processo di formazione di film di silicio mediante deposizione di cluster, in col-laborazione con L. Colombo (Università di Cagliari) e P. Roca (Ecole Polytechnique CNRS); • implementazione del metodo Divide&Conquer per il calcolo delle proprietà elettroniche locali,

in collaborazione con A. Mattoni (IOM CNR), nell’ambito del progetto IIT Polyphemo [4].

Risultati

La nostra attività di sviluppo software, inizialmente rivolta al supporto di un ristretto numero di utenti del CASPUR, si è estesa portando allo sviluppo di nuovi algoritmi per le simulazioni ato-mistiche e package completamente implementati dal nostro gruppo. Questo modello ha però mostrato dei limiti di “scalabilità” e perciò, di recente, abbiamo cambiato paradigma, aiutando i gruppi con i quali collaboriamo a portare i nostri metodi in un selezionato set di codici di co-munità. In questo modo, stiamo portando un contributo allo sviluppo della ricerca di una comunità scientifica ben più ampia di quella dei soli utenti del Consorzio.

Come primi risultati di questo lavoro, abbiamo arricchito il pacchetto LAMMPS con nuove ver-sioni ottimizzate dei potenziali empirici Stillinger-Weber, Tersoff e EDIP, derivate dalla nostra ori-ginale implementazione in CMSapi. Per simulazioni atomistiche che usano questi tipi di potenziale, abbiamo osservato un miglioramento di performance fino a 3X rispetto alle imple-mentazioni originali. Grazie a questo lavoro si è aperta una collaborazione di più ampio respiro con il team di sviluppo di LAMMPS che sta portando ad una ulteriore ottimizzazione e paralle-lizzazione dei principali potenziali d’interazione con OpenMP e CUDA.

Bibliografia essenziale

[1] Meloni S., Rosati M., Federico A., Ferraro L., Mattoni A., Colombo L. (2007). Computational Materials Science application programming interface (CMSapi): a tool for developing applications for atomistic simulations. Computer Physics Communications 169, 462–466.

[2] Meloni S., Rosati M., Colombo L. (2007). Efficient particle labeling in atomistic simulations. J.Chem. Phys. 126, 121102.

[3] LAMMPS - Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (http://lammps.sandia.gov) Sandia National Laboratories.

[4] Mattoni A., Ferraro L., Colombo L. (2009). Calculation of the local optoelectronic properties of nano-structured silicon. Phys. Rev. B 79, 245302.