Predictive modeling and simulation of properties and multi-scale processes in materials science. Tasks for Exaflops-era supercomputers
A. Yu. Kuksin, A. V. Lankin, I. V. Morozov, H. E. Norman, N. D. Orekhov, V. V. Pisarev, G. S. Smirnov, S. V. Starikov, V. V. Stegailov, A. V. Timofeev

References
1.	INCITE program http://www.doeleadershipcomputing.org/
2.	IBM Journal of Research and Development, 2005 http://www.research.ibm.com/journal/rd49-23.html
3.	V. V. Stegailov, G. E. Norman, “Problemy razvitiya superkompyuternoi otrasli v Rossii: vzglyad polzovatelya vysokoproizvoditelnykh sistem”, Programmnye sistemy: teoriya i prilozheniya, 5:1 (2014), 111–152 http://psta.psiras.ru/read/psta2014_1_111-152.pdf
4.	G. E. Norman, V. V. Stegailov, “Stokhasticheskaya teoriya metoda klassicheskoi molekulyarnoi dinamiki”, Matematicheskoe modelirovanie, 24:6 (2012), 3–44
5.	A. V. Yanilkin, P. A. Zhilyaev, A. Yu. Kuksin, G. E. Norman, V. V. Pisarev, V. V. Stegailov, “Primenenie superkompyuterov dlya molekulyarno-dinamicheskogo modelirovaniya protsessov v kondensirovannykh sredakh”, Vychislitelnye metody i programmirovanie, 11 (2010), 111–116
6.	Z. A. Insepov, E. M. Karatajev, G. E. Norman, “The kinetics of condensation behind the shock front”, Zeitschrift für Phys. D Atoms, Mol. Clust., 20:1–4 (1991), 449–451
7.	J. M. Savolainen, M. S. Christensen, P. Balling, “Material swelling as the first step in the ablation of metals by ultrashort laser pulses”, Phys. Rev. B, 84 (2011), 193410
8.	M. Ishino, A. Y. Faenov, M. Tanaka, S. Tamotsu, N. Hasegawa, M. Nishikino, T. A. Pikuz, T. Kaihori, T. Kawachi, “Observations of surface modifications induced by the multiple pulse irradiation using a soft picosecond x-ray laser beam”, Appl. Phys. A, 110 (2012), 179–188
9.	S. I. Ashitkov, N. A. Inogamov, V. V. Zhakhovskii, Yu. N. Emirov, M. B. Agranat, I. I. Oleinik, S. I. Anisimov, V. E. Fortov, “Obrazovanie nanopolostei v poverkhnostnom sloe alyuminievoi misheni pri vozdeistvii femtosekundnykh lazernykh impulsov”, Pisma v ZhETF, 95:4 (2012), 195–197
10.	S. V. Starikov, V. V. Stegailov, G. E. Norman, V. E. Fortov, M. Ishino, M. Tanaka, N. Khasegava, M. Nishikino, T. Okhba, T. Kaikhori, E. Ochi, T. Imazono, T. Kavachi, S. Tamotsu, T. A. Pikuz, I. Yu. Skobelev, A. Ya. Faenov, “Lazernaya ablyatsiya zolota: eksperiment i atomisticheskoe modelirovanie”, Pisma v ZhETF, 93:11 (2011), 719–725
11.	M. E. Povarnitsyn, T. E. Itina, P. R. Levashov, K. V. Khishchenko, “Simulation of ultrashort double-pulse laser ablation”, Appl. Surf. Sci., 257 (2011), 5168–5171
12.	A. V. Mazhukin, V. I. Mazhukin, M. M. Demin, “Modeling of femtosecond ablation of aluminum film with single laser pulses”, Appl. Surf. Sci., 257 (2011), 5443–5446
13.	G. E. Norman, S. V. Starikov, V. V. Stegailov, “Atomisticheskoe modelirovanie lazernoi ablyatsii zolota: effekt relaksatsii davleniya”, ZhETF, 141:5 (2012), 910–918
14.	G. Norman, S. Starikov, V. Stegailov, V. Fortov, I. Skobelev, T. Pikuz, A. Faenov, S. Tamotsu, Y. Kato, M. Ishino, M. Tanaka, N. Hasegawa, M. Nishikino, T. Ohba, T. Kaihori, Y. Ochi, T. Imazono, Y. Fukuda, M. Kando, T. Kawachi, “Nanomodification of gold surface by picosecond soft x-ray laser pulse”, J. Appl. Phys., 112:1 (2012), 013104
15.	M. E. Povarnitsyn, T. E. Itina, P. R. Levashov, K. V. Khishchenko, “Mechanisms of nanoparticle formation by ultra-short laser ablation of metals in liquid environment”, Phys. Chem. Chem. Phys., 15 (2013), 3108–3114
16.	N. A. Inogamov, V. V. Zhakhovsky, Yu. V. Petrov, V. A. Khokhlov, S. I. Ashitkov, K. V. Khishchenko, K. P. Migdal, D. K. Ilnitsky, Yu. N. Emirov, P. S. Komarov, V. V. Shepelev, C. W. Miller, I. I. Oleynik, M. B. Agranat, A. V. Andriyash, S. I. Anisimov, V. E. Fortov, “Electron-ion relaxation, phase transitions, and surface nano-structuring produced by ultrashort laser pulses in metals”, Contrib. to Plasma Phys., 53:10 (2013), 796–810
17.	G. E. Norman, S. V. Starikov, V. V. Stegailov, I. M. Saitov, P. A. Zhilyaev, “Atomistic Modeling of Warm Dense Matter in the Two-Temperature State”, Contrib. to Plasma Phys., 53:2 (2013), 129–139
18.	S. V. Starikov, A. Ya. Faenov, T. A. Pikuz, I. Yu. Skobelev, V. E. Fortov, S. Tamotsu, Y. Kato, M. Ishino, M. Tanaka, N. Hasegawa, M. Nishikino, T. Ohba, T. Kaihori, Y. Ochi, T. Imazono, T. Kawachi, “Soft picosecond X-ray laser nanomodification of gold and aluminum surfaces”, Appl. Phys. B: Lasers and Optics, 2014
19.	D. S. Ivanov, A. I. Kuznetsov, V. P. Lipp, B. Rethfeld, B. N. Chichkov, M. E. Garcia, W. Schulz, “Short laser pulse nanostructuring of metals: direct comparison of molecular dynamics modeling and experiment”, Appl. Phys. A, 111 (2013), 675–687
20.	C. Wu, L. V. Zhigilei, “Microscopic mechanisms of laser spallation and ablation of metal targets from large-scale molecular dynamics simulations”, Appl. Phys. A, 114 (2014), 11–32
21.	Z. Insepov, J. Rest, A. M. Yacout, A. Yu. Kuksin, G. E. Norman, V. V. Stegailov, S. V. Starikov, A. V. Yanilkin, “Derivation of kinetic coefficients by atomistic methods for studying defect behavior in Mo”, J. Nucl. Mat., 425:1–3 (2012), 41–47 http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0022311511007951
22.	M. S. Veshchunov, A. V. Boldyrev, V. D. Ozrin, V. E. Shestak, V. I. Tarasov, G. E. Norman, A. Yu. Kuksin, V. V. Pisarev, D. E. Smirnova, S. V. Starikov, V. V. Stegailov, A. V. Yanilkin, “Development of the Mechanistic Fuel Performance and Safety Code SFPR Using the Multi-Scale Approach”, TMS2013 Supplemental Proceedings, John Wiley & Sons, Inc., 2013, 655–664
23.	S. V. Starikov, Z. Insepov, J. Rest, A. Yu. Kuksin, G. E. Norman, V. V. Stegailov, A. V. Yanilkin, “Radiation-induced damage and evolution of defects in Mo”, Phys. Rev. B, 84:10 (2011), 104109
24.	D. E. Smirnova, S. V. Starikov, V. V. Stegailov, “Interatomic potential for uranium in a wide range of pressures and temperatures”, J. Phys. Condens. Matter, 24:1 (2012), 015702
25.	D. E. Smirnova, A. Yu. Kuksin, S. V. Starikov, V. V. Stegailov, Z. Insepov, J. Rest, A. M. Yacout, “A ternary EAM interatomic potential for U-Mo alloys with xenon”, Model. Simul. Mater. Sci. Eng., 21:3 (2013), 035011
26.	A. Yu. Kuksin, D. E. Smirnova, “Raschet koeffitsientov diffuzii defektov i ionov v $UO_2$”, FTT, 56:6 (2014), 1166–1175
27.	S. V. Starikov, “Atomisticheskoe modelirovanie obrazovaniya defektov pri prolete oskolkov deleniya v $UO_2$”, TVT, 2014 (to appear)
28.	A. Yu. Kuksin, G. E. Norman, V. V. Pisarev, V. V. Stegailov, A. V. Yanilkin, “Theory and molecular dynamics modeling of spall fracture in liquids”, Phys. Rev. B, 82:17 (2010), 174101
29.	Z.-J. Wang, C. Valeriani, D. Frenkel, “Homogeneous bubble nucleation driven by local hot spots: a molecular dynamics study”, J. Phys. Chem. B, 113:12 (2009), 3776–3784
30.	J. W. P. Schmelzer, “Crystal nucleation and growth in glass-forming melts: Experiment and theory”, J. Non. Cryst. Solids, 354:2–9 (2008), 269–278
31.	G. E. Norman, V. V. Stegailov, “Gomogennaya nukleatsiya v peregretom kristalle. Molekulyarno-dinamicheskii raschet”, DAN, 386:3 (2002), 328–332
32.	A. Yu. Kuksin, I. V. Morozov, G. E. Norman, V. V. Stegailov, I. A. Valuev, “Standards for molecular dynamics modelling and simulation of relaxation”, Mol. Simul., 31:14–15 (2005), 1005–1017
33.	T. T. Bazhirov, G. E. Norman, V. V. Stegailov, “Molecular dynamics simulation of cavitation in a lead melt at negative pressures”, Russian Journal of Physical Chemistry, 80:S1 (2006), S90–S97
34.	A. Yu. Kuksin, A. V. Yanilkin, “Kineticheskaya model razrusheniya pri vysokoskorostnom rastyazhenii na primere kristallicheskogo alyuminiya”, DAN, 413:5 (2007), 615–619
35.	A. Yu. Kuksin, P. R. Levashov, V. V. Pisarev, M. E. Povarnitsyn, A. V. Yanilkin, A. S. Zakharenkov, “Model of fracture of liquid aluminum based on atomistic simulations”, Physics of Extreme States of Matter-2011, 2011, 57
36.	D. Rossinelli, B. Hejazialhosseini, P. Hadjidoukas, C. Bekas, A. Curioni, A. Bertsch, S. Futral, S. J. Schmidt, N. A. Adams, P. Koumoutsakos, “11 PFLOP/s Simulations of Cloud Cavitation Collapse”, Proceedings of SC13, International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis SC'13, ACM, 2013, 3:1–3:13
37.	V. V. Pisarev, “Opredelenie svobodnoi energii poverkhnosti kristall-rasplav”, TVT, 50:6 (2012), 769–774
38.	G. S. Smirnov, V. V. Stegailov, “Melting and superheating of sI methane hydrate: Molecular dynamics study”, J. Chem. Phys., 136:4 (2012), 044523
39.	G. S. Smirnov, V. V. Stegailov, “Toward Determination of the New Hydrogen Hydrate Clathrate Structures”, J. Phys. Chem. Lett., 4 (2013), 3560–3564
40.	N. English, “Massively-Parallel Molecular Dynamics Simulation of Clathrate Hydrates on Blue Gene Platforms”, Energies, 6:6 (2013), 3072–3081
41.	S. J. Stuart, A. B. Tutein, J. A. Harrison, “A reactive potential for hydrocarbons with intermolecular interactions”, J. Chem. Phys., 112:14 (2000), 6472
42.	S. L. Mayo, B. D. Olafson, W. A. Goddard, “DREIDING: a generic force field for molecular simulations”, J. Phys. Chem., 94:26 (1990), 8897–8909
43.	N. I. Khokhlov, I. B. Petrov, “Reshenie bolshikh zadach seismiki na vysokoproizvoditelnykh vychislitelnykh sistemakh”, Tezisy dokladov NSKF, 2013
44.	V. E. Fortov, A. G. Khrapak, S. A. Khrapak, V. I. Molotkov, O. F. Petrov, “Pylevaya plazma”, UFN, 174:5 (2004), 495–544
45.	G. Norman, V. Stegailov, A. Timofeev, “Abnormal Kinetic Energy of Charged Dust Particles in Plasmas”, Contrib. to Plasma Phys., 50:1 (2010), 104–108
46.	G. E. Norman, V. V. Stegailov, A. V. Timofeev, “Anomalnaya kineticheskaya energiya sistemy pylevykh chastits v plazme gazovogo razryada”, ZhETF, 140:5 (2011), 1017–1032
47.	G. E. Norman, A. V. Timofeev, “Kinetic temperature of dust particle motion in gas-discharge plasma”, Phys. Rev. E, 84:5 (2011), 056401
48.	G. E. Norman, A. V. Timofeev, “Anomalous kinetic energy of charged dust particles in gas discharge plasma”, Ukr. J. Phys., 56:12 (2011), 1300–1304
49.	G. E. Norman, A. V. Timofeev, “Primenenie ponyatiya «temperatura» dlya opisaniya dinamiki pylevykh chastits v plazme gazovogo razryada”, DAN, 446:4 (2012), 393–397
50.	A. V. Lankin, “Stolknovitelnaya rekombinatsiya v neidealnoi plazme”, ZhETF, 134 (2008), 1013–1023
51.	A. V. Lankin, G. E. Norman, “Collisional recombination in strongly coupled plasmas”, J. Phys. A: Math. Theor., 42:21 (2009), 214042
52.	A. Lankin, G. Norman, “Density and Nonideality Effects in Plasmas”, Contrib. to Plasma Phys., 49:10 (2009), 723–731
53.	A. Lankin, G. Norman, “Recombination in Dense Ion Plasmas”, Contrib. to Plasma Phys., 53:10 (2013), 711–720
54.	A. V. Lankin, G. E. Norman, V. V. Stegailov, “Atomisticheskoe modelirovanie vzaimodeistviya elektrolita s grafitovymi nanostrukturami v perspektivnykh superkondensatorakh”, TVT, 48:6 (2010), 877–885
55.	A. Bhatelé, L. V. Kalé, S. Kumar, “Dynamic Topology Aware Load Balancing Algorithms for Molecular Dynamics Applications”, Proceedings of the 23rd International Conference on Supercomputing, ICS'09, ACM, 2009, 110–116
56.	V. V. Chudanov, S. A. Goreinov, A. E. Aksenova, V. A. Pervichko, A. A. Makarevich, “Novyi metod resheniya CFD zadach na klasternykh EVM petaflopsnoi proizvoditelnosti”, Programmnye sistemy: teoriya i prilozheniya, 5:1 (2013), 3–14 http://psta.psiras.ru/read/psta2014_1_3-14.pdf
57.	P. A. Zhilyaev, V. V. Stegailov, “Ab initio molekulyarnaya dinamika: perspektivy ispolzovaniya mnogoprotsessornykh i gibridnykh superEVM”, Vychislitelnye metody i programmirovanie, 13:2 (2012), 37–45
58.	I. Bethune, A. Carter, X. Guo, P. Korosoglou, Million Atom KS-DFT with CP2K, PRACE White Paper, 2011
59.	O. Ayala, L.-P. Wang, “Parallel implementation and scalability analysis of 3D Fast Fourier Transform using 2D domain decomposition”, Parallel Computing, 39:1 (2013), 58–77
60.	T. Hoefler, M. Snir, “Generic Topology Mapping Strategies for Large-scale Parallel Architectures”, Proceedings of the International Conference on Supercomputing, ICS'11, ACM, 2011, 75–84
61.	ExaScale Computing Study: Technology Challenges in Achieving Exascale Systems, http://www.cse.nd.edu/Reports/2008/TR-2008-13.pdf, DARPA Inf. Processing Techn. Office, 2008
62.	S. Plimpton, “Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics”, J. Comput. Phys., 117:1 (1995), 1–19
63.	J. A. Anderson, C. D. Lorenz, A. Travesset, “General purpose molecular dynamics simulations fully implemented on graphics processing units”, J. Comput. Phys., 227:10 (2008), 5342–5359
64.	J. E. Stone, D. J. Hardy, I. S. Ufimtsev, K. Schulten, “GPU-accelerated molecular modeling coming of age”, J. Mol. Graph. Model., 29:2 (2010), 116–125
65.	M. S. Friedrichs, P. Eastman, V. Vaidyanathan, M. Houston, S. Legrand, A. L. Beberg, D. L. Ensign, C. M. Bruns, V. S. Pande, “Accelerating molecular dynamic simulation on graphics processing units”, J. Comput. Chem., 30:6 (2009), 864–872
66.	P. H. Colberg, F. Höfling, “Highly accelerated simulations of glassy dynamics o using GPUs: Caveats on limited floating-point precision”, Comput. Phys. Commun., 182:5 (2011), 1120–1129
67.	I. V. Morozov, A. M. Kazennov, R. G. Bystryi, G. E. Norman, V. V. Pisarev, V. V. Stegailov, “Molecular dynamics simulations of the relaxation processes in the condensed matter on GPUs”, Comput. Phys. Commun., 182:9 (2011), 1974–1978
68.	R. G. Bystryi, I. V. Morozov, “GPU-accelerated molecular dynamics simulations of nonideal plasmas”, Physics of Extreme States of Matter-2012, IPCP RAS, Chernogolovka, 2012, 134–136
69.	W. M. Brown, A. Kohlmeyer, S. J. Plimpton, A. N. Tharrington, “Implementing molecular dynamics on hybrid high performance computers — Particle-particle particle-mesh”, Comput. Phys. Commun., 183:3 (2012), 449–459
70.	S. S. Andreev, S. A. Dbar, A. O. Latsis, E. A. Plotkina, “Maket gibridnoi rekonfiguriruemoi vychislitelnoi sistemy i realizatsiya na nem vychislenii s povyshennoi tochnostyu”, Tezisy dokladov NSKF (2013)
71.	http://top500.org/lists/2013/11/