[发明专利]一种基于国产众核架构的分子动力学计算方法

说明书

本发明涉及一种基于国产众核架构的分子动力学计算方法，属于药物筛选技术领域，所述方法包括针对国产架构的超级计算机修改分子动力学软件的编译方法与安装、通过信息传递接口实现分布式并行运行、充分利用从核资源，实现利用从核计算非键力、利用从核进行PME算法并行实现以及优化数据组织方式，结合国产众核架构的超级计算机的向量化技术进行加速，实现在国产众核架构的超级计算机上进行高精度、高速度的分子动力学模拟。

技术领域

本发明属于药物筛选技术领域，特别涉及一种基于国产众核架构的分子动力学计算方法。

背景技术

分子动力学是一套分子模拟方法，利用计算机构建粒子模型，通过模拟粒子的微观结构和动态轨迹，从而获得粒子体系的物理化学数据。分子动力学模拟的具体流程如图1所示，包括构建局部坐标环境、根据一定温度下玻尔兹曼分布生成速度、计算作用于粒子上的力、求解牛顿运动方程、对结果进行统计分析。分子动力学模拟主要包括两种方法计算模拟:

1、量子力学方法。不忽略核子的量子效应等微观层面的影响，从头进行计算，相对于实验手段无法研究的过程。

2、经典分子动力学(MD)、蒙特卡罗、分子力学模拟方法，不考虑微观层面的影响，直接从粒子层面考量和观察分子的结构变化和物理现象。

分子动力学模拟是从统计物理学发展起来的一种描述纳米科技这类处于原子分子状态的固体或液体的动力学特性的微观现象的有效方法。分子动力学总是假定原子的运动服从某种确定的描述，这种描述可以为牛顿方程、拉格朗日方程或哈密顿方程所确定的描述，也就是说原子的运动和确定的轨迹联系在一起。在忽略核子的量子效应和Born-Oppenheimer绝热近似下，分子动力学的这一种假设是可行的。

目前分子动力学仍然存在的问题主要是计算资源的缺乏限制了分子动力学模拟速度。同时符合热力学极限的宏观系统由几千万亿亿个分子或原子组成(一般高达10²³数量级)，所含微观粒子数量巨大，在实际计算中，分子动力学方法受到有限观测时间和优先系统尺寸的限制。由于受计算机运算速度和内存空间的限制，计算机模拟允许的微观体系尺寸要比热力学极限小很多。针对这一问题，对所选定的模拟单元施加周期性边界条件虽然一定程度上使此问题得到解决，但却是以精度为代价所换得的，在一定程度上，会导致精度损失。

发明内容

针对分子动力学模拟当前存在的问题，将分子动力学软件移植到国产众核架构超级计算机上是很有必要的。首先，基于国产众核架构的超级计算机计算资源富足，内存空间足够大，完全可以支撑起分子动力学模拟中对计算资源的需求。其次，超级计算机内存空间足够大，完全可以对超大体系进行分子动力学模拟，对周期性边界条件的依赖性较低，并且超级计算机支持各种精度的计算，精度损失产生误差的可能性可以降至较低。在现阶段国产超级计算机技术飞速发展的情况下，如何解决上述问题，并能够将其与神威架构超级计算机融合起来，充分利用现有的硬件软件条件，实现分子动力学模拟算法在神威超计算机上的实现，提高分子动力学模拟的精度和速度是分子动力学的重要研究课题。

本发明提供一种基于国产众核架构的分子动力学计算方法，通过将在分子动力学软件通过国产众核架构加速，通过将分子动力学模拟中对非键力、PME算法利用从核进行并行计算，以及分布式并行计算，实现在国产众核架构的超级计算机上进行高精度、高速度的分子动力学模拟。

本发明是通过如下技术方案来实现的：

一种基于国产众核架构的分子动力学计算方法，其实现方法包括针对国产架构的超级计算机修改分子动力学软件的编译方法与安装、通过MPI(信息传递接口)实现分布式并行运行、充分利用从核资源，实现利用从核计算非键力、利用从核进行PME算法并行实现以及优化数据组织方式，结合国产众核架构的超级计算机的向量化技术进行加速。

所述的通过MPI(信息传递接口)实现分布式并行加速：通过分布式并行来进行加速，使用集成MPI库的C编译器和C++编译器来实现，将程序依赖的各种库更换为国产众核架构的超级计算机提供的专有库。