Accélération des calculs en Chimie théorique : l'exemple des processeurs graphiques

Accelerating Computations in Theoretical Chemistry : The Example of Graphic Processors

• Auteur / Autrice : Gaëtan Rubez
• Direction : Eric Hénon, Michaël Krajecki
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Info - Informatique
• Date : Soutenance le 06/12/2018
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques Physique Sciences du Numérique et de l'Ingénieur (Reims ; 2018-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche en Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Reims, Marne ; 2004-....)
• Jury : Président / Présidente : Laetitia Jourdan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Hénon, Michaël Krajecki, Xavier Vigouroux, Jean-Charles Boisson, Jean-Matthieu Etancelin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Philip Piquemal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Processeurs graphiques

Simulation de docking moléculaire

Mots clés libres

Docking

Nci

Dftb

Drug design

Parallel computing

Gpu

Résumé

Nous nous intéressons à l'utilisation de la technologie manycore des cartes graphiques dans le cadre de la Chimie théorique. Nous soutenons la nécessité pour ce domaine d'être capable de tirer profit de cette technologie. Nous montrons la faisabilité et les limites de l'utilisation de cartes graphiques en Chimie théorique par le portage sur GPU de deux méthodes de calcul en modélisation moléculaire. Ces deux méthodes n’intégrerons ultérieurement au programme de docking moléculaire AlgoGen. L'accélération et la performance énergétique ont été examinées au cours de ce travail.Le premier programme NCIplot implémente la méthodologie NCI qui permet de détecter et de caractériser les interactions non-covalentes dans un système chimique. L'approche NCI se révèle être idéale pour l'utilisation de cartes graphiques comme notre analyse et nos résultats le montrent. Le meilleur portage que nous avons obtenu, a permis de constater des facteurs d'accélération allant jusqu'à 100 fois plus vite par rapport au programme NCIplot. Nous diffusons actuellement librement notre portage GPU : cuNCI.Le second travail de portage sur GPU se base sur GAMESS qui est un logiciel complexe de portée internationale implémentant de nombreuses méthodes quantiques. Nous nous sommes intéressés à la méthode combinée DFTB/FMO/PCM pour le calcul quantique de l'énergie potentielle d'un complexe. Nous sommes intervenus dans la partie du programme calculant l'effet du solvant. Ce cas s'avère moins favorable à l'utilisation de cartes graphiques, cependant nous avons su obtenir une accélération.

In this research work we are interested in the use of the manycore technology of graphics cards in the framework of approaches coming from the field of Theoretical Chemistry. We support the need for Theoretical Chemistry to be able to take advantage of the use of graphics cards. We show the feasibility as well as the limits of the use of graphics cards in the framework of the theoretical chemistry through two usage of GPU on different approaches.We first base our research work on the GPU implementation of the NCIplot program. The NCIplot program has been distributed since 2011 by Julia CONTRERAS-GARCIA implementing the NCI methodology published in 2010. The NCI approach is proving to be an ideal candidate for the use of graphics cards as demonstrated by our analysis of the NCIplot program, as well as the performance achieved by our GPU implementations. Our best implementation (VHY) shows an acceleration factors up to 100 times faster than the NCIplot program. We are currently freely distributing this implementation in the cuNCI program.The second GPU accelerated work is based on the software GAMESS-US, a free competitor of GAUSSIAN. GAMESS is an international software that implements many quantum methods. We were interested in the simultaneous use of DTFB, FMO and PCM methods. The frame is less favorable to the use of graphics cards however we have been able to accelerate the part carried by two K20X graphics cards.