JPH03204758A - 粒子運動シミュレーション処理方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 計算機における、粒子運動のシミュレーション処理に関
し、 並列処理システムの処理エレメント間のデータ授受量を
減少しで、並列処理性能を向上できる粒子運動シミュレ
ーション処理方式を目的とし、所与の３次元空間の粒子
データについて、所定の運動シミュレーションを実行す
る場合に、該空間をＮ個の小空間に分割して、各該小空
間を所与のカットオフ距離を辺の長さとする立方体のセ
ルに分割し、Ｎ個のクラスタを設け、該クラスタ間を所
要の通信手段で接続し、各該クラスタは、複数の処理エ
レメントと、共有メモリを有し、それぞれ各該小空間の
処理を分担して、該分担する小空間の該セルと、当該小
空間に隣接する該セルとに位置する、所与の粒子データ
を該共有メモリに保持し、該処理エレメントは、該クラ
スタごとに該共有メモリに保持する該データに関する所
定の処理を、該セル単位に分担して並列に実行し、該処
理の結果の、他の該小空間へ移動する該粒子と、前記小
空間に隣接するセルの粒子とに関する新データを、該通
信手段によって所要の該クラスタへ送信し、及び受信す
る該新データにより各該共有メモリ上のデータを更新し
、該処理から該データの更新までを、所与の回数繰り返
し実行するように構成する。

〔産業上の利用分野］ 本発明は、計算機における、粒子運動のシミュレーショ
ンの処理方式に関する。

粒子の運動のシミュレーションは、半導体の結晶成長等
に関する気体・液体・個体の相転移、航空機等の乱流に
関する流体力学的運動、半導体の電子流に関する個体物
理学的運動、星雲や銀河系についての天体物理学的運動
等のシミュレーションとして、各種の分野で使用される
。

〔従来の技術と発明が解決しようとする課題〕前記のよ
うな粒子のシミュレーションは公知のように、所要の３
次元空間内の対象の粒子について、原理的にはすべての
２粒子間について距離の関数として求められる相互作用
を計算し、この作用力によって移動する各粒子の新しい
位置を定める計算を、所定の時間刻みによって所定の回
数繰り返す処理からなるが、実用的規模のシミュレーシ
ョンを行う場合の粒子個数Ｎ、は１０３個以上、時間刻
みの数は１０４回以上になるので、膨大な計算量が必要
になる。

こ＼で、前記の力の計算には、通常距離対ポテンシャル
曲線の情報を与えて、粒子間の距離に対するポテンシャ
ルから、粒子間の作用力を求め、その力による粒子の移
動を算出することにより、ある時点の粒子の位置から、
次の時点の粒子の位置を決定するが、計算量を減少する
ために、粒子間の距離が離れて、ポテンシャルが所定値
以下までＯに接近し始める距離をカットオフ（ｃｕｔ−
ｏｆｆ）距離とし、カットオフ距離以内の粒子のみを計
算の対象とし、カットオフ距離を越える粒子の影響を無
視する計算方法がとられる。

これにより、約Ｎ、２回の計算を、Ｎ、　Ｘ　ＩＩＩ、
回（各粒子からカットオフ距離内の平均粒子個数Ｎｃ）
に減少する。

この計算方法によるシミュレーションを高速化する並列
処理システムとして、空間をカットオフ距離の大きさの
セルに分割し、計算機の各処理エレメント（以下におい
てＰＥという）にセル単位で粒子のデータを分配して、
複数のＰＥで並列処理する方式がある。しかし、各ＰＥ
は担当するセルの粒子について計算するために、その粒
子からカットオフ距離以内の隣接セルの情報も必要とな
り、又計算の結果担当セルから他のＰＨの担当するセル
へ移動する粒子については、計算ごとに相互に通知しな
ければならないので、それらのためのＰＥ間の情報授受
が絶えず必要になる。

そのために、前記のシステムを、いわゆる疎結合の並列
計算機によって構成する場合には、ＰＥの数を増加して
、ＩＰＨの担当するセル数が減少するに伴って、前記の
ような情報をＰＥ間で授受するためのＰＥ間通信量が増
加するために、ＰＥ数増大に見合う並列処理性能の上昇
を得ることが出来なくなる。又、複数のＰＥでメモリを
共有する、いわゆる密結合の並列計算機にすることによ
って、前記の疎結合システムの場合の通信の問題を解決
しようとすると、全ＰＥを共有メモリに接続するための
共有バスの性能限界によって、ＰＥ数を増加する効果が
次第に減殺される。

本発明は、前記の問題点を除き、並列処理システムの処
理エレメント間のデータ授受量を減少して、並列処理性
能を向上できる粒子運動シミュレーション処理方式を目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は、本発明の構成を示すブロック図である。

図は粒子運動シミュレーション処理方式の構成であって
、所与の３次元空間の粒子データについて、所定の運動
シミュレーションを実行する場合に、該空間をＮ個の小
空間に分割して、各該小空間を所与のカットオフ距離を
各辺の長さとする立方体のセルに分割し、Ｎ個のクラス
タ１０を設け、クラスタ１０間を通信手段１１で接続し
、各クラスタ１０は、共有メモリ１２と、複数の処理エ
レメント（ＰＥ）１３を有し、それぞれ各該小空間を分
担して、該分担する小空間の該セルと、当該小空間に隣
接する該セルとの、所与の粒子データを共有メモリ１２
に保持し、ＰＥ１３は、クラスタ１０ごとに共有メモリ
１２に保持する該データに関する所定の処理を、該セル
単位に分担して並列に実行し、該処理の結果の、他の該
小空間へ移動する該粒子と、前記小空間に隣接するセル
の粒子とに関する新データを、通信手段１１によって所
要のクラスタ１０へ送信し、及び受信する該新データに
より各共有メモリ１２上のデータを更新し、該処理から
該データの更新までを、所与の回数繰り返し実行する。

（作　用〕 本処理方式により、前記小空間内のセル間については、
ＰＥ間で情報を転送する必要が全く無く、小空間に隣接
するセルの情報と、小空間を越えて他の小空間へ移動し
た粒子についての情報のみを、繰り返し処理の各回の初
めに、クラスタ間で授受すればよい。従って、適当な大
きさの小空間を設定することにより、転送を要する情報
量は前記従来の疎結合システムの場合より大幅に減少す
ることができる。従って、共有メモリへのアクセス競合
が並列処理性能を害さない程度のＰＥ数で密結合システ
ムを構成してクラスタとし、小空間の数に対応する数の
クラスタを設けることにより、比較的多数のＰＥを使用
して、ＰＥ数に応じて並列処理性能を高めることが可能
になる。

〔実施例〕

第１図において、各ＰＥ１３はベクトル演算機構を有す
る処理装置とし、各クラスタ１０は例えば８台のＰＥ１
３を共有バス１４によって、適当なアクセス速度の共有
メモｉ月２に接続した構成とし、同じ構成のクラスタ１
０を例えば１６台（即ちＮ＝１６）設けて、ＩｌＯ〜１
１１５クラスタとする。

各クラスタ１０は例えば各通信制御部１６において通信
手段１１に接続し、ネットワーク制御部１５により通信
制御部１６間の情報転送を行うように構成する。ネット
ワーク制御部１５には、所要のクラスタ間における情報
転送を効率よく処理できる適当な通信網を使用すること
ができるが、例えば公知のハイパーキューブ（超立方体
）ネットワークを使用すれば、ブロッキングによる待ち
無しに、任意のクラスタ間の情報伝送を効率よく処理す
ることができる。前記のように１６台のクラスタ１０を
設ける場合のハイパーキューブネントワークは、第３図
に示す様に、図に黒塗り正方形で示す各クラスタ（の接
続する通信制御部１６）からそれぞれ４個のクラスタへ
直通の通信路を設けた４次元超立方体のネットワークと
なる。

以上のシステムによって処理するシミュレーションの対
象を、例えば１（１０人３の立方体空間に含まれる分子
である１０’個の粒子とし、１０人がカットオフ距離で
あるとすると、この空間を一辺１０人の立方体に分割し
て１０３個のセルとする。

従って各セルには平均１０個の粒子が存在する。

次に全体の空間を小空間に分割するために、例えば５Ｘ
５Ｘ２＝５０個のセルを含む種類の小空間と、５　Ｘ　
５　Ｘ　３　＝７５個のセルを含む種類の小空間とを設
けて、両種類併せて１６個の小空間で全空間をカバーす
るようにする。第２図（ａ）は以上のような小空間の分
割例を説明する図であって、実線で小空間の境界を示し
、破線で小空間内のセルの境界を示している。

＃０〜１１１５のクラスタは、同じ態様でシミュレーシ
ョンを並列に実行するが、例えば＃Ｏのクラスタ１０は
シミュレーションの前後処理も行うものとして、入出力
線１７によって外部からシミュレーション対象空間に関
するデータ等を受信し、又シミュレーション結果の所定
データを出力するようにしておく。

＃０クラスタでは、所要のデータが入力されると前処理
を開始し、空間のデータについて前記の分割を行うと、
各小空間を特定のクラスタに割り付け、空間、小空間及
びセルの座標データ、及び小空間の割り付は先クラスタ
を示す情報と、割り当てた小空間の粒子の初期位置情報
とを、自身以外の各割当先のクラスタへ通信手段１１を
介して配布する、又外部から指定された時間刻みの回数
等の制御情報を通知し、それらの配布を完了するとシミ
ュレーションを開始する。

第４図は各クラスタにおける、シミュレーション処理の
流れの一例を示し、処理ステップ２０で繰り返し回数り
を０にし、その他所要の初期設定をして処理を開始して
、先ず処理ステップ２１で、各クラスタが担当する小空
間に隣接するセル（これを、ある小空間の耳部分という
）で、自身が担当する小空間にあるセルの粒子の情報を
、それぞれ必要なりラスタへ宛てて通信手段ＩＩにより
通知し、又自身に必要な耳部分の情報が通知されるのを
受信する。以上により、各クラスタｌＯの共用メモリ１
２には第２図（ｂ）に示すセルの情報が保持される。

図で実線部分が担当する小空間、破線部分がその耳部分
のセルを示している。

なお、与えられた空間の外周の各面については、いわゆ
る周期境界条件を通用して、同一条件の空間が繰り返し
て存在するように扱い、従って反対側の面のセルを耳部
分とする。

次に処理ステップ２２で、担当する小空間の全粒子につ
いて、各粒子とカットオフ距離以内にある粒子との距離
ベクトルから、粒子間の相互作用を所与のポテンシャル
関数に基づいて計算し、その結果当該粒子が移動する位
置の新座標を求める計算を実行する。その際小空間の周
辺にあるセルの粒子について、耳部分の粒子による相互
作用を計算に入れる必要がある。

以上を担当小空間の全粒子について終了すると、処理ス
テップ２３で前ステップの処理の結果、担当する小空間
から外へ飛び出すことになった粒子についての各新座標
を、飛び出し先の小空間を担当するクラスタへ通信手段
１１を経て通知し、又自身の小空間に飛び込む粒子の情
報が通知されるのを受信して、該当セルの粒子に加える
。なお、この場合も与えられた全空間の外に出る粒子に
ついては、前記の周期境界条件によって処理する。

以上で、時間刻みごとの１回の処理を終わり、処理ステ
ップ２４で処理回数ｔを＋１する。次に処理ステップ２
５で識別して、処理回数ｔが所定の時間刻み回数ｔ、□
より小さければ、処理ステップ２１に戻り、耳部分の新
情報を授受して前記の処理を繰り返す。このようにして
指定の時間刻み回数の処理を繰り返せばシミュレーショ
ンを終わる。

各クラスタ１０では各ＰＥ１３が、共有メモリ１２にあ
る担当小空間のデータから、それぞれが未処理のセルを
順次取り出して以上の処理を並列に実行し、適当に時間
刻みの同期を取りながら処理を進める。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように本発明によれば、計算機
における、粒子運動のシミュレーション処理において、
並列処理システムの処理エレメント間のデータ授受量を
減少して、並列処理性能を向上できるという著しい工業
的効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示すブロック図、第２図は本発
明の空間分割を説明する図、第３図はハイパーキューブ
ネットワークの説明図、第４図は本発明の処理の流れ図 である。 図において、 １０はクラスタ、　　　　１１は通信手段、１２は共有
メモリ、　　　１３はＰＥ、１５はネットワーク制御部
、 １６は通信制御部、　　　１７は入出力線、本発明の構
成を示すプロ、り図 第 図 （ａ） 本発明の空間分割を説明する図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　所与の３次元空間の粒子データについて、所定の運動
   シミュレーションを実行する場合に、該空間をＮ個の小
   空間に分割して、各該小空間を所与のカットオフ距離を
   各辺の長さとする立方体のセルに分割し、 Ｎ個のクラスタ（１０）を設け、該クラスタ間を通信手
   段（１１）で接続し、 各該クラスタ（１０）は、共有メモリ（１２）と、複数
   の処理エレメント（１３）を有し、それぞれ各該小空間
   を分担して、該分担する小空間の該セルと、当該小空間
   に隣接する該セルとの、所与の粒子データを該共有メモ
   リに保持し、 該処理エレメント（１３）は、該クラスタ（１０）ごと
   に該共有メモリ（１２）に保持する該データに関する所
   定の処理を、該セル単位に分担して並列に実行し、該処
   理の結果の、他の該小空間へ移動する該粒子と、前記小
   空間に隣接するセルの粒子とに関する新データを、該通
   信手段（１１）によって所要の該クラスタ（１０）へ送
   信し、及び受信する該新データにより各該共有メモリ（
   １２）上のデータを更新し、該処理から該データの更新
   までを、所与の回数繰り返し実行するように構成されて
   いることを特徴とする粒子運動シミュレーション処理方
   式。