Calcul de Structure électronique à Très Large Échelle :Ondelettes et ordre N pour le passage à l'échelle des méthodes ab initio – NEWCASTLE

Les méthodes ab initio sont les méthodes d'excellence pour prédire la structure et les propriétés des systèmes atomiques car elles sont sans paramètres. La majorité de ces méthodes résolvent l'équation de Schrödinger dans le cadre de la théorie de la fonctionnelle de la densité. Elles sont utilisées en chimie, en science des matériaux, en nanosciences et aussi en biologie.

Ces méthodes utilisent traditionnellement, pour représenter les fonctions d'onde des électrons, des bases de fonctions gaussiennes ou bien d'ondes planes. Le temps de calcul varie alors en puissance 3 en fonction du nombre d'atomes limitant la taille des systèmes à quelques centaines d'atomes. D'autre part, ces deux bases de fonctions limitent considérablement le parallélisme à quelques centaines de cœurs.

Nous avons montré dans le code BigDFT que les bases en espace réel comme les ondelettes étaient réellement utilisables pour des codes en production sur machines parallèles et n'étaient pas soumises aux limitations des codes traditionnels. Il est possible, notamment, d'avoir un maillage adaptatif dans les régions de fortes variations de densité électronique. Les approches d'ordre N sont surtout plus facilement applicables pour avoir un comportement linéaire du temps de calcul en fonction du nombre de cœurs.

En se fondant sur l'expérience déjà accumulée sur les ondelettes, sur les approches d'ordre N et sur le développement d'applications parallèles, ce projet a comme ambition de passer à l'échelle, c'est-à-dire d'être capable d'utiliser des milliers voire des dizaines de milliers de cœurs pour simuler des systèmes physiques réels.

Pour cela, nous souhaitons nous appuyer sur le code BigDFT pour pouvoir exploiter des milliers de cœurs pour le calcul de la structure électronique via une approche d'ordre N déjà validée pour des systèmes de quelques dizaines d'atomes. Une partie du projet est d'ailleurs d'avoir une meilleure transférabilité du code et un maillage plus large via l'implémentation de pseudo-potentiels plus doux. Toutes ces avancées bénéficieront à d’autres codes de calcul de structure électronique via la réutilisation des modules développés comme cela a été le cas dans le passé (code ABINIT, Octopus, CP2K).

Suite à des tests sur plusieurs milliers de cœurs sur les différents centres français (CCRT, INES), nous souhaitons, en partenariat avec Bull, améliorer la robustesse et le passage à l’échelle de la bibliothèque MPI (OpenMPI), notamment des messages collectifs comme MPI_ALLTOALL et MPI_ALLREDUCE, c'est à dire ne pas avoir le même type d'algorithmes pour un petit et un grand nombre de cœurs. Enfin, la tolérance aux pannes d'un nœud via un mécanisme de reprise dans la bibliothèque MPI sera étudiée et implantée dans le code.

L'objectif de ce projet est double :
1.avoir un code ab initio « opensource » moderne, fiable, robuste pouvant exploiter des dizaines de milliers de cœurs pour la science des matériaux (défauts ponctuels), la chimie (macro-molécules), les nanosciences (fonctionnalisation de surface) et même la biologie (protéines) ;
2.valider un ensemble de solutions robustes et fiables pour le calcul massivement parallèle et hybride pouvant être ré-utilisé par d’autres logiciels.