[發明專利]一種用于異構集群環境中的自由能微擾計算調度方法

在審

• 申請號: 202010116568.5
• 申請日: 2020-02-25
• 公開（公告）號: CN111341391A
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 劉增輝;何咪;楊明俊;賴力鵬;馬健;溫書豪
• 申請（專利權）人: 深圳晶泰科技有限公司
• 主分類號: G16C20/50
• 分類號: G16C20/50;G16C10/00
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識產權事務所(普通合伙) 44248
• 代理人: 胡吉科

本發明提供一種用于異構集群環境中的自由能微擾計算調度方法，包括以下步驟：步驟A:通過預先構造好的分子/蛋白質等結構和輸入文件，先進行npt系綜動力學模擬過程，獲得平衡態的結構；步驟B:運行基于哈密頓量的副本交換動力學計算，獲得足夠多的軌跡數據；步驟C:解析軌跡文件，再與各種prmtop組合,生成新的amber計算輸入，計算組合后的每個構象對應的單點能;步驟D:使用正則表達式提取log文件中的能量數值，同時清理中間臨時文件，完成單個分子的計算過程。本發明的方法配置靈活，可以同時處理多個分子的自由能計算，使用者需要簡單地寫好配置文檔，通過配置生成運行時腳本，按照設定好的流程自動執行，也可指定某幾步部分計算，計算解耦性好。

技術領域

本發明屬于高性能計算和藥物設計技術領域，具體為一種用于異構集群環境中的自由能微擾計算調度方法，：使用在異構(cpu+gpu)架構集群中，為自由能微擾計算服務提供高效的資源利用和微調度需求。

背景技術

現代計算機硬件gpu的更新換代，使得顯卡gpu具備了強大的數據并行計算能力，將cpu與gpu結合起來構建異構集群很容易獲得強大的計算能力，特別適合計算密集型的應用，而且越來越多的高性能計算(HPC)用戶正在向基于GPU的群集遷移，來運行其科學和工程應用。在異構計算環境中允許用戶計算模型中同時使用CPU和GPU，其中，應用的連續部分在CPU上運行，而計算密集的部分在GPU上運行。通過挖掘GPU的大規模并行能力、用戶運行應用程序的速度和傳統的基于CPU的模式相比，速度得到極大的提升。

在眾多的藥物設計方法中，自由能微擾計算(FEP)是評估藥物小分子和靶點結合強度的一種高精度方法，它可以有效的去除假陽性分子，提高設計成功率，加速新藥研發的進程。基于增強采樣算法，高精度分子力場(Xforce)和嚴謹的數據統計分析方法建立起來的FEP流程，需要在短時間內精確地計算出數百個小分子藥物候選化合物和靶點的結合自由能。XFEP在數十個測試體系和一系列的實際項目中的官能團替換和骨架躍遷計算上的預測誤差(mean unsigned error)均低于1.0kcal/mol，預測值和實驗中得到的數據顯示顯著相關性。這一高精度方法需要大量的計算量來支撐，而且工業應用，對計算體系有時效性的要求，這就需要盡可能地提升計算時間和精度。

發明內容

為了解決以上技術問題，本發明提供一種用于異構集群環境中的自由能微擾計算調度方法，充分利用gpu+cpu異構集群資源來承擔大批量的自由能微擾計算，特別是在采用基于溶劑溫度的副本交換(假設在溫度升高時，溶劑分子運動，而溶質分子鎖定的一種副本交換方法)。

自由能微擾是計算自由能的一種常用方法，以正則系綜為例，從狀態a到狀態b的自由能變化可以由下式子算出：

其中T為溫度，H_A和H_B分別為狀態A和狀態A的哈密頓量，kB為玻爾茲曼常數，表示在狀態A的系綜中去系綜平均。簡單地說，為了計算狀態A與狀態B之間的自由能差，需要通過在狀態A的系綜中對兩狀態之間的能量差采樣，然后求平均。采樣可以使用分子動力學或者蒙特卡洛方法模擬。由于精確的自由能計算需要大量的采樣，由此帶來的計算量很大，實現過程中，為加速采樣過程，人們發展了一系列增強采樣的方法，其中Replica Exchangewith Solute Tempering(rest2)增強采樣方法就是其中一種有效方法。Rest2方法是基于哈密頓量的副本交換動力學，通過增強了鄰近副本的采樣，可選擇感興趣的自由度，biasing強度與(exp(-V/kt))相關來加速了自由能計算過程。

具體步驟包括如下：

一種用于異構集群環境中的自由能微擾計算調度方法，包括以下步驟：

其特征在于，應用于異構集群中的集群調度器，所述異構集群包括很多節點，所述方法包括：