An FFT-oriented performance analysis and optimization of Quantum ESPRESSO on top-tier EuroHPC systems
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Le résumé fourni par la source
Density functional theory (DFT), combined with the plane-waves (PW) representation, forms the basis of a large class of first-principles materials simulation codes. In these applications, Fast Fourier Transforms (FFTs) constitute the core computational kernel that strongly impacts overall performance. In the Quantum ESPRESSO suite (QE), an open-source code widely used for material design, FFTs are tightly integrated with the application’s parallelization strategy and data distribution. This coupling enables efficient application-aware optimization, although it makes direct benchmarking against standard distributed FFT libraries nontrivial. However, the emergence of highly optimized distributed FFT APIs such as cuFFTMp, together with topology-aware communication libraries such as NCCL, motivates a reassessment of this application-specific implementation to evaluate its performance against current HPC standards and identify optimization opportunities on modern architectures. In this work, we analyze and benchmark FFTXlib, the distributed FFT library used in QE, against NVIDIA’s cuFFTMp on the pre-exascale systems Leonardo Booster and MareNostrum5 ACC. From this study, we derive insights that can inform future optimizations and guide new developments of PW-DFT codebases. We further introduce an optimization based on an adaptive batching strategy that relies on the specific data distribution of FFTXlib and significantly improves the overall strong-scaling behaviour. We demonstrate its impact through production-scale benchmarks of representative workloads (a 1413-atom water system and a 1532-atom carbon nanotube system) on three top-tier EuroHPC platforms, including NVIDIA and AMD accelerators (Leonardo Booster, MareNostrum5 ACC, LUMI-G).
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Le contrôle bibliographique ouvert
DOI retrouvé dans Crossref DOI retrouvé ; titre concordant.
- Titre Crossref
- An FFT-oriented performance analysis and optimization of Quantum ESPRESSO on top-tier EuroHPC systems
- Date Crossref
- 01/01/2026
- Éditeur
- Elsevier BV
- Type
- journal-article
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Où se fait cette recherche
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Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati pays non établi dans la noticeUniversité ou école supérieure
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Istituto Officina dei Materiali pays non établi dans la noticeStructure de recherche
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Cineca pays non établi dans la noticeInstitution
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The Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (ICTP) pays non établi dans la noticeStructure de recherche
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CNR-IOM Istituto dell’Officina dei Materiali pays non établi dans la noticeInstitution
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SISSA pays non établi dans la noticeInstitution
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Advanced Micro Devices S.p.A. pays non établi dans la noticeInstitution
Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati, Istituto Officina dei Materiali et Cineca, avec 4 autres affiliations.
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