[发明专利]在多处理器系统上进行分子动力学模拟的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及数据处理领域，具体地，涉及在多处理器系统上进行分子 动力学模拟的方法和装置。

背景技术

分子动力学模拟的含义是利用计算机模拟分子的运动过程。其是一个 重要的HPC(High Performance Computing，高性能计算)应用，经常在 调查物质的性质时使用。利用分子动力学模拟，通过在计算机中追踪全部 分子的运动规律，能够导出物质全体的性质，从而能够处理分子级别上的 问题，这在材料、生物、光学、医学等研究领域都具有实际的意义。

在分子动力学模拟中，为了得到分子的运动轨迹，需要时刻地追踪全 部分子的运动，这样，就会存在大量的迭代模拟计算步骤。在分子动力学 模拟中，在每一次迭代步骤中，需要分别计算每一个分子的能够表明该分 子的当前状态的力、加速度、速度以及位置等属性。

可以理解，在计算上，分子动力学模拟是一项非常庞大的工作，因为 将有大量的分子需要模拟，以及大量的模拟步骤需要执行。

在分子动力学模拟中，计算时间的绝大部分都消耗在了计算分子对之 间的作用力上，因为在对特定分子进行分子间作用力的计算时，需要考虑 该分子的所有周围相邻分子，即需要分别求取这些周围相邻分子与该特定 分子之间的作用力，然后对这些作用力进行求和等运算。

在现有的分子动力学模拟方案中，通常都是将需要进行分子动力学模 拟的整个物质空间在空间坐标系中划分为M×M×M个立方体小盒子或者 长方体的小盒子，以便据此找到相邻分子。也就是说，每一个分子都根据 其位置属于一个特定的小盒子。以下说明书中都以M×M×M个立方体小 盒子为例进行陈述，但是本领域技术人员可以知道，长方体的小盒子也是 类似的。对于M×M×M个立方体小盒子，每一个小盒子的各边的长度等 于截断半径，该截断半径是一个预先确定的值。如果两个分子之间的距离 大于截断半径，则这两个分子之间的作用力将被忽略。采用这种方式，能 够方便分子之间的作用力的计算。

具体地，图1是通常的分子动力学模拟方案的图示说明。如图1所示， 在通常的分子动力学模拟方案中，在计算中心小盒子(用灰色表示)中的 特定分子的作用力时，需要考虑该中心小盒子周围的26个(上方的9个、 下方的9个以及除上下方之外的侧方的8个)小盒子(均未填充颜色)以 及该中心小盒子本身共27个小盒子，以找到与该特定分子之间的距离处于 截断半径之内的所有相邻分子，来计算各相邻分子与该特定分子之间的作 用力之和。即，在通常的方案中考虑：

27个小盒子＝26个周围相邻小盒子+中心小盒子自身。

目前存在有多种不同的算法来优化分子间作用力的计算，linkcell方法 是其中性能最好的一种。在linkcell方法中，根据牛顿第3定律、即作用 力a→b＝-作用力b→a，考虑对于两个分子之间的作用力只计算一次。基 于这一考虑，在linkcell方法中，在计算一个特定分子的作用力时，通过 仅寻找14个小盒子来代替通常方案中的27个小盒子，能够减少几乎一半 的计算量。即，在linkcell方法中考虑：

14个小盒子＝13个周围相邻小盒子+中心小盒子自身。

具体地，图2是linkcell方法的图示说明。如图2所示，在linkcell方 法中，在计算中心小盒子(用深灰色表示)中的特定分子的作用力时，需 要考虑其上方以及侧方的共13个(上方的9个以及侧方的4个)小盒子(用 浅灰色表示)中的分子。

但是，上述所有的现有分子动力学模拟方案都是在单处理器系统的平 台上实现的，在这样的平台上实现，模拟性能是不理想的。