[發明專利]在多處理器系統上進行分子動力學模擬的方法和裝置

有效

• 申請號: 200910003257.1
• 申請日: 2009-01-21
• 公開（公告）號: CN101782930A
• 公開（公告）日: 2010-07-21
• 發明（設計）人: 李廣磊;王佰玲;鐘忻;汪文俊
• 申請（專利權）人: 國際商業機器公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所 11247
• 代理人: 于靜;周春燕

技術領域

本發明涉及數據處理領域，具體地，涉及在多處理器系統上進行分子 動力學模擬的方法和裝置。

背景技術

分子動力學模擬的含義是利用計算機模擬分子的運動過程。其是一個 重要的HPC(High?Performance?Computing，高性能計算)應用，經常在 調查物質的性質時使用。利用分子動力學模擬，通過在計算機中追蹤全部 分子的運動規律，能夠導出物質全體的性質，從而能夠處理分子級別上的 問題，這在材料、生物、光學、醫學等研究領域都具有實際的意義。

在分子動力學模擬中，為了得到分子的運動軌跡，需要時刻地追蹤全 部分子的運動，這樣，就會存在大量的迭代模擬計算步驟。在分子動力學 模擬中，在每一次迭代步驟中，需要分別計算每一個分子的能夠表明該分 子的當前狀態的力、加速度、速度以及位置等屬性。

可以理解，在計算上，分子動力學模擬是一項非常龐大的工作，因為 將有大量的分子需要模擬，以及大量的模擬步驟需要執行。

在分子動力學模擬中，計算時間的絕大部分都消耗在了計算分子對之 間的作用力上，因為在對特定分子進行分子間作用力的計算時，需要考慮 該分子的所有周圍相鄰分子，即需要分別求取這些周圍相鄰分子與該特定 分子之間的作用力，然后對這些作用力進行求和等運算。

在現有的分子動力學模擬方案中，通常都是將需要進行分子動力學模 擬的整個物質空間在空間坐標系中劃分為M×M×M個立方體小盒子或者 長方體的小盒子，以便據此找到相鄰分子。也就是說，每一個分子都根據 其位置屬于一個特定的小盒子。以下說明書中都以M×M×M個立方體小 盒子為例進行陳述，但是本領域技術人員可以知道，長方體的小盒子也是 類似的。對于M×M×M個立方體小盒子，每一個小盒子的各邊的長度等 于截斷半徑，該截斷半徑是一個預先確定的值。如果兩個分子之間的距離 大于截斷半徑，則這兩個分子之間的作用力將被忽略。采用這種方式，能 夠方便分子之間的作用力的計算。

具體地，圖1是通常的分子動力學模擬方案的圖示說明。如圖1所示， 在通常的分子動力學模擬方案中，在計算中心小盒子(用灰色表示)中的 特定分子的作用力時，需要考慮該中心小盒子周圍的26個(上方的9個、 下方的9個以及除上下方之外的側方的8個)小盒子(均未填充顏色)以 及該中心小盒子本身共27個小盒子，以找到與該特定分子之間的距離處于 截斷半徑之內的所有相鄰分子，來計算各相鄰分子與該特定分子之間的作 用力之和。即，在通常的方案中考慮：

27個小盒子＝26個周圍相鄰小盒子+中心小盒子自身。

目前存在有多種不同的算法來優化分子間作用力的計算，linkcell方法 是其中性能最好的一種。在linkcell方法中，根據牛頓第3定律、即作用 力a→b＝-作用力b→a，考慮對于兩個分子之間的作用力只計算一次。基 于這一考慮，在linkcell方法中，在計算一個特定分子的作用力時，通過 僅尋找14個小盒子來代替通常方案中的27個小盒子，能夠減少幾乎一半 的計算量。即，在linkcell方法中考慮：

14個小盒子＝13個周圍相鄰小盒子+中心小盒子自身。

具體地，圖2是linkcell方法的圖示說明。如圖2所示，在linkcell方 法中，在計算中心小盒子(用深灰色表示)中的特定分子的作用力時，需 要考慮其上方以及側方的共13個(上方的9個以及側方的4個)小盒子(用 淺灰色表示)中的分子。

但是，上述所有的現有分子動力學模擬方案都是在單處理器系統的平 臺上實現的，在這樣的平臺上實現，模擬性能是不理想的。