摘要 
    为提高分子动力学模拟的计算效率，采用并行计算代替单机计算。作为并行算法之一的原子分解法，由于其简单性，在小型机群中较高的并行效率，和一些具体问题的适用性如长程力的计算，因此比较常用。本文研究了原子分解方法，优化了各进程粒子的受力计算，尤其对严重影响并行效率的全局通信进行了优化，使用最佳实现全局通信的点对点非阻塞通信替代了直接调用全收集语句MPI_Allgather。在进行非阻塞通信同时计算各进程粒子与本地进程粒子间及上次通信获得的其他进程粒子间的相互作用，最终使得并行效率的提高在30%以上。并且使用该优化算法对固态氩的导热系数进行了计算，模拟结果和实验值比较吻合，而且时间大大缩短。证明了该优化并行算法正确性和有效性。此外，对于大规模的粒子系统原子分解已不能满足要求，这种情况宜采用区域分解法替代之。本文以碳纳米管的计算机模拟计算为例，对其采用区域分解算法实现并行化，结果证明了随着粒子数量的增加，并行效率是在上升的。且证实了该算法在碳纳米管理论研究中的重要地位。
    本文中，使用分子动力学模拟方法对双层纳米薄膜界面处的热整流进行了计算。该双层纳米薄膜由两种不同材料组成：A层是硅，B层是一种假想的仅仅原子质量不同其他都与A一样的材料，B材料原子质量是A材料的8倍。模拟结果表明，界面热阻与流过界面的热流方向有关。界面处热阻的热整流随着温度的上升而减小，但是整流效果不能仅仅由界面处的温度差解释，界面处声子的非弹性散射可能对这种非对称传播有一定贡献。最后对于界面处的相互扩散对热整流的影响也作了一定的讨论。通过将界面附近A、B的任意原子相互交换实现界面的掺杂，分子动力学模拟结果表明了界面处相互扩散将会降低整流效果
关键词：分子动力学，并行算法，原子分解法，MPI_Allgather，邻居交换算法，非阻塞通信, 热整流，区域分解法

目录
摘要 2
第一部分 分子动力学并行算法 9
第一章 绪论 9
1.1 纳米科技现状 9
1.2 分子动力学仿真技术现状 9
1.3 并行计算技术 10
1.4本文研究的内容 11
第二章  分子动力学模拟方法 12
2.1 引言 12
2.2 分子动力学方法简介 12
2.3 分子动力学模拟的初始条件 12
2.4 原子间势函数 13
2.5分子运动方程的建立 13
2.6 周期性边界条件 14
2.7 分子动力学模拟的系综 15
2.8 宏观统计量的特性统计 16
2.9 计算中的一些技巧 17
2.9.1无量纲化过程 17
2.9.2 位能截断 17
2.9.3 邻居列表的处理 17
2.10 分子动力学程序流程 18
第三章  并行算法介绍 20
3.1 引言 20
3.2 并行计算机 20
3.3 并行编程环境 21
3.3.1 并行编程环境 21
3.3.2 标准消息传递界面MPI 21
3.4 并行算法 22
3.4.1 并行算法的分类 22
3.4.2 并行算法的发展阶段 22
3.4.3 并行计算的模型 22
3.4.4 并行算法的一般设计过程 23
第四章 分子动力学并行算法 25
4.1 引言： 25
4.2 原子分解法： 25
4.2.1 原子分解法的通信模式 25
4.2.2 原子分解法的两种算法 26
4.3 区域分解法： 27
4.3.1 区域分解法的通信模式 27
4.3.2 区域分解法的两种算法 28
4.3.3 负载平衡问题 29
第五章 原子分解算法的优化及应用 31
5.1 引言 31
5.2 在计算上所作的优化 31
5.2 在通信上所作的优化 31
5.2.1全局通信语句MPI_Allgather 31
5.2.2 实现全收集的几种算法 32
5.2.3 非阻塞通信[37] 34
5.3 优化程序在热传导系数计算方面的应用及测试结果 34
5.3.1 热传导系数的平衡态分子动力学模拟 34
5.3.2 理想氩晶体导热系数的EMD模拟 35
5.3.3 优化程序对理想氩晶体导热系数的EMD模拟 36
第六章 区域分解法在碳纳米管计算方面的应用 39
6.1 碳纳米管的介绍 39
6.1.1 发现及其结构特性 39
6.1.2 碳纳米管的独特性能 39
6.2 碳纳米管计算的分子动力学模拟 40
6.2.1平衡态分子动力学模型 40
6.2.2势能函数－Tersoff作用势 41
6.3 区域分解法在碳管计算方面的应用 42
6.3.1 碳管模型的区域分解 42
6.3.2 采用区域分解法的并行效率 42
6.3.3 结论 44
第二部分 固体界面热整流现象 45
第一章 绪论 45
1.1 微尺度传热学研究现状 45
1.1.1微尺度传热学的研究背景 45
1.1.2 微尺度传热中的微尺度效应 45
1.1.3 微尺度传热学的研究方法 46
1.1.4 微尺度传热学的研究进展 47
1.2 热整流现象研究现状 48
1.2.1 热整流的概念 48
1.2.2 热整流理论研究现状 49
第二章  硅薄膜导热系数的非平衡态分子动力学模拟 51
2.1  导热系数的非平衡态分子动力学模拟 51
2.2 硅晶体导热系数的分子动力学描述 53
2.2.1晶格结构 53
2.2.2 SW作用势 53
2.2.3 导热系数的计算 54
第三章  硅薄膜热整流现象的探讨 56
3.1 模拟方法 56
3.2 模拟结果和讨论 56
3.2.1 界面温度 56
3.2.2 热整流与施加温度梯度的关系 58
3.2.3 热整流与薄膜厚度关系 59
3.2.4 界面掺杂对热整流的影响 61
3.2.5 结论 63
参考文献： 64
攻读硕士学位期间发表的学术论文 68