Design, implementation, and error analysis of the multilevel summation method for dispersion

Tameling, Daniel; Bientinesi, Paolo; Ismail, Ahmed E.; Mitsos, Alexander

doi:36900

Design, implementation, and error analysis of the multilevel summation method for dispersion = Entwicklung, Implementierung und Fehleranalyse der Multilevel Summation Methode für Dispersion

Tameling, Daniel^RWTH*

2017 & 2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Daniel Tameling

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (xviii, 223 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Ismail, Ahmed E. (Thesis advisor)^RWTH* ; Bientinesi, Paolo (Thesis advisor) ; Mitsos, Alexander (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-07-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-00887
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/713056/files/713056.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
dispersion (frei) ; long-range solver (frei) ; molecular dynamics (frei) ; multilevel summation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Dispersionsinteraktionen sind die einzigen attraktiven Interaktionen in molekularen Simulationen, die zwischen allen Atomen vorkommen, und sie spielen daher eine bedeutende Rolle bei einer Reihe von physikalischen Effekten. Obwohl sie formal kurzreichweitig sind, können Dispersionsinteraktionen in bestimmten Situationen schneller berechnet werden, wenn eine eigentlich für langreichweitige Interaktionen gedachte Methode benutzt wird. Die momentan am häufigsten verwendeten langreichweitigen Methoden sind die gitterbasierten Ewald Methoden. Allerdings ist bekannt, dass diese Methoden relativ schlecht mit der Anzahl der CPUs skalieren, wohingegen immer größere Simulationen und die wachsende Parallelität von Rechner- architekturen gut skalierende Algorithmen verlangen. Eine andere langreichweitige Methode ist die Multilevel Summation, die nachgewiesenermaßen extrem gut skaliert. Das Hauptziel dieser Dissertation ist die Verwendung der Multilevel Summation zur Berechnung von Dispersionsinteraktionen. Insbesondere wird eine Implementierung dieser Methode vorgestellt, die nicht nur signifikant schneller ist als ihr elektrostatisches Gegenstück der Simulationssoftware LAMMPS, sondern auch weiterhin gut skaliert. Es werden auch die Unzulänglichkeiten bestehender Fehlerschätzer für die Multilevel Summation diskutiert und es wird ein verbesserter Fehlerschätzer hergeleitet. Abschließend werden verschiedene Maßnahmen vorgestellt um die Genauigkeit der Multilevel Summation zu verbessern, wie z.B. ein Korrekturfaktor und eine adaptive Version der Methode.

In molecular simulations, dispersion interactions are the only type of attractive interaction that occurs between all pairs of atoms, and as such they play an important role for a wide range of physical effects. Despite being short-ranged in nature, dispersion interactions can in certain situations be calculated faster if a long-range method is used. The currently most popular long-range solvers are the mesh-based Ewald methods. However, it is well-known that these methods do not scale well to large core counts, whereas growing simulations sizes and the increasing parallelism in computer architectures demand highly scalable algorithms. An alternative long-range method is the multilevel summation, which has been shown to scale extremely well. The main objective of this dissertation is to adapt the multilevel summation to the calculation of dispersion interactions. In particular, an implementation of this method is presented that is not only significantly faster than its electrostatic counterpart from the simulation software LAMMPS but also maintains the good scalability. Moreover, the deficiencies of the existing error estimates for the multilevel summation are discussed, and an improved error estimate is derived. Finally, various means to increase the accuracy of the multilevel summation are presented, among others a correction factor and an adaptive version of the method.

OpenAccess:
PDF
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