Técnicas de análise do perfil de execução e otimização de programas em química computacional

Abstract

Recebido em 25/4/01; aceito em 12/9/01 TECHNIQUES FOR THE EXECUTION PROFILE ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF COMPUTATIONAL CHEMISTRY PROGRAMS. In this paper we review the basic techniques of performance analysis within the UNIX environment that are relevant in computational chemistry, with particular emphasis on the execution profile using the gprof tool. Two case studies (in ab initio and molecular dynamics calculations) are presented in order to illustrate how execution profiling can be used to effectively identify bottlenecks and to guide source code optimization. Using these profiling and optimization techniques it was possible to obtain significant speedups (of up to 30%) in both cases.Keywords: performance analysis; computational chemistry; ab initio and molecular dynamics calculations. , por exemplo, foi adaptado ao FreeBSD por um dos autores (PAMV) em 1993 9-12 e logo em seguida ao Linux por Gulden. Em sucessão, o programa Gaussian94 foi objeto do mesmo processo de adaptação e, em 1995, a revisão D.2 já possuia suporte do fabricante para a (atualmente extinta) distribuição Yggdrasil do Linux e FreeBSD 13 . Paralelamente, inúmeros programas de química e física computacional foram adaptados para estes sistemas por diversos pesquisadores, de tal forma que, hoje em dia virtualmente qualquer programa de química computacional, cujo código fonte esteja acessível, encontra-se disponível para estes sistemas operacionais. À época destes esforços não existiam compiladores FORTRAN 14 , a linguagem historicamente mais importante em química computacional, comerciais para estes sistemas operacionais, o compilador FORTRAN g77 da GNU 15 ainda encontrava-se nos primeiros estágios de seu desenvolvimento. O único compilador disponível e estável computacionalmente e numericamente era o tradutor de FORTRAN para C, f2c, da AT&T 16 usado em conjunto com o compilador C da GNU 17 , gcc. A compilação era realizada em duas etapas: inicialmente o programa em FORTRAN era traduzido para C pelo f2c, a seguir este código em C era compilado com o gcc. Somente neste estágio é que ocorriam otimizações no programa e todas eram realizadas em torno da linguagem C gerada pelo conversor. Na segunda metade da década passada, ao mesmo tempo que o compilador FORTRAN g77 da GNU atingiu maturidade e estabilidade suficientes para seu uso em programas científicos de grande porte, começaram a surgir no mercado vários compiladores FORTRAN comerciais para o Linux. Estes compiladores comerciais, em associação com bibliotecas de álgebra linear otimizadas 18 , mostraram-se extremamente eficientes para a otimização dos programas e, em alguns casos como a versão 98 do Gaussian que utiliza o compilador Portland 19 , tornaram-se os compiladores de referência de vários fabricantes de programas de cálculos de estrutura molecular. Esta tendência de migração para compiladores comerciais, no entanto, foi contrabalançada com o surgimento de bibliotecas científicas gratuitas de alto desempenho como ATLAS 20 , PhiPAC 21 , FFTW 22 e pelo expressivo aumento de velocidade obt...