[發(fā)明專利]一種基于非馮諾依曼架構(gòu)的分子動力學(xué)計算方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010375103.1
• 申請日: 2020-05-05
• 公開（公告）號: CN111554355B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉杰;周騫;周曉凡;莫平輝;葉雅琴;史余輝
• 申請（專利權(quán)）人: 湖南大學(xué)
• 主分類號: G16C10/00
• 分類號: G16C10/00;G16C20/70
• 代理公司: 國防科技大學(xué)專利服務(wù)中心 43202
• 代理人: 王文惠

本發(fā)明屬于人工智能領(lǐng)域，公開了一種基于非馮諾依曼架構(gòu)的分子動力學(xué)計算方法。本發(fā)明首先選定一個原子作為參考原子，并根據(jù)其初始位置構(gòu)建局部坐標(biāo)環(huán)境；將參考原子截斷半徑內(nèi)每個原子的全局坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為局部坐標(biāo)環(huán)境下的局部坐標(biāo)并求得其輸入特征，作為參考原子的所有特征參數(shù)；將所有特征參數(shù)輸入到一個全連接多層感知機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架，擬合得到參考原子的受力；并行求得所有原子的受力后，根據(jù)每個原子的初始位置，速度以及受力，求得所有原子新的位置；重復(fù)執(zhí)行上述步驟，并記錄每一次的位置結(jié)果，最終整合得到分子動力學(xué)計算的結(jié)果。本發(fā)明在確保高精度計算分子動力學(xué)的基礎(chǔ)上，對計算效率有極大的提升，具有高精度、高效率的特點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及加速分子動力學(xué)計算的方法，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合原子間受力以及非馮諾依曼計算架構(gòu)，在確保高精度計算的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)分子動力學(xué)計算效率的極大提升，屬于人工智能領(lǐng)域。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的分子動力學(xué)計算都是基于密度泛函理論，并借助計算機(jī)軟件仿真完成，雖然能夠保證運(yùn)算精度，但其高額的計算成本限制了它在成百上千個原子和時間尺度為100ps的系統(tǒng)中的應(yīng)用。近年來，機(jī)器學(xué)習(xí)方法，尤其是深度學(xué)習(xí)被認(rèn)為是利用密度泛函理論數(shù)據(jù)建立分子體系勢能面模型的工具，并實(shí)現(xiàn)了顯著的效率提升。但是目前大多數(shù)計算架構(gòu)都采用傳統(tǒng)的馮諾依曼架構(gòu)，也就是將處理器與內(nèi)存分開設(shè)計，導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)傳輸嚴(yán)重限制系統(tǒng)的整體效率，不適用于高維物質(zhì)的分子動力學(xué)計算。針對這個問題，模仿人腦結(jié)構(gòu)設(shè)計的存算一體化架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)分布式和并發(fā)式傳遞數(shù)據(jù)，相當(dāng)于超大規(guī)模的并行計算。實(shí)現(xiàn)基于該架構(gòu)的分子動力學(xué)計算系統(tǒng)，對于物理，生化和醫(yī)療界的人工智能意義重大。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供了一種基于非馮諾依曼架構(gòu)的分子動力學(xué)計算方法，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速分子動力學(xué)計算，從而完成精準(zhǔn)的分子動力學(xué)仿真。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種基于非馮諾依曼架構(gòu)的分子動力學(xué)計算方法，包括以下步驟：

1)對于一多原子的體系，選定一個原子作為參考原子，并根據(jù)其初始位置構(gòu)建參考原子的局部坐標(biāo)環(huán)境；

2)將參考原子截斷半徑內(nèi)每個原子的全局坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為參考原子局部坐標(biāo)環(huán)境下的局部坐標(biāo)；

3)根據(jù)參考原子截斷半徑內(nèi)每個原子的局部坐標(biāo)求得各個原子的輸入特征，作為參考原子的所有特征參數(shù)；

4)將參考原子的所有特征參數(shù)輸入到一個全連接多層感知機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架，擬合得到參考原子的受力；

5)按照步驟1-4得到體系中所有原子的受力，并根據(jù)每個原子的初始位置，速度以及受力，求得體系中所有原子新的位置；

6)重復(fù)執(zhí)行步驟1-5，并記錄每一次的位置結(jié)果，最終整合得到分子動力學(xué)計算的結(jié)果。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟1)中，對于一多原子的體系，選定參考原子的局部坐標(biāo)環(huán)境表示為其中e_z＝e_x×e_y，dr₁₂＝r₂-(r₂·e_x)·e_x是由施密特正交計算得來，r₁和r₂分別代表在參考原子截斷半徑內(nèi)由參考原子指向第一和第二相鄰的兩個原子的向量，|r₁|和|dr₁₂|分別表示向量r₁和向量dr₁₂的模長。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟2)中，將參考原子截斷半徑內(nèi)每個原子在參考原子局部坐標(biāo)環(huán)境A下的局部坐標(biāo)表示為其中是參考原子截斷半徑內(nèi)某個原子R_i的全局坐標(biāo)，(x_i，y_i，z_i)是該原子R_i轉(zhuǎn)換過后的局部坐標(biāo)。