在Perturbo代码中，通过高效利用GPU并行计算技术，实现了对电子-声子相互作用引起的电子传输和非平衡动力学的模拟

《npj Computational Materials》：Efficient GPU parallelization of electronic transport and nonequilibrium dynamics from electron-phonon interactions in the Perturbo code

　　

摘要

基于第一性原理计算的包含电子-声子（e-ph）相互作用的玻尔兹曼输运方程（BTE）被广泛用于研究材料中的电子输运和非平衡动力学。计算电子-声子碰撞积分是BTE中最关键的步骤，但即使采用当前的MPI+OpenMP并行化技术，这一过程仍然具有较高的计算成本。这一挑战使得研究具有较大单元格的材料以及在动量空间实现高分辨率变得十分困难。在这里，我们展示了如何利用图形处理单元（GPUs）加速电子输运和超快动力学的BTE计算。我们实现了一种针对GPU硬件进行优化的数据结构和算法，并使用OpenACC进行了开发，以高效处理散射过程并计算碰撞积分。这种方法显著减少了数据引用、传输和同步的开销。与作为基线的开源软件PERTURBO（v2.2.0）中的高效CPU实现相比，该方法在GPU硬件上使输运和非平衡动力学的计算速度提高了40倍，并且能够实现高达100个GPU的线性扩展。这种新颖的数据结构可以推广到其他电子相互作用和散射过程。我们已将这一GPU实现集成到PERTURBO的最新公共版本（v3.0.0）中。新的MPI+OpenMP+GPU并行化技术大幅加速了电子-声子耦合和电子动力学的计算，为传统材料和量子材料的大规模研究提供了一个可扩展的计算框架和基础。