[发明专利]一种分子动力学模拟中邻接表快速建立方法和系统

说明书

本发明涉及一种分子动力学模拟中邻接表快速建立方法和系统，包括：通过二进制数表示每一个粒子的整数坐标，从多个粒子中选择待比较的粒子对，并将粒子对中的第一粒子的整数坐标与第一掩码进行按位或运算后减去粒子对中的第二粒子的整数坐标，得到第一差值，将第二粒子的整数坐标与第一掩码进行按位或运算后减去第一粒子的整数坐标，得到第二差值；第一差值和第二差值分别与第二掩码进行按位与运算，得到第一运算值和第二运算值，若第一运算值与第二运算值按位与为0，并且第一运算值左移1位后与第二运算值按位与为0，并且第一运算值右移1位后与第二运算值按位与为0，则将第一粒子存储到第二粒子的邻接表中。

技术领域

本发明涉及高性能计算、分子动力学模拟等技术领域。

背景技术

在分子动力学模拟当中，通常需要计算粒子(如原子、分子)之间的短程力。短程力，即力的作用范围较小，作用力会随粒子之间距离的增加而急速减小。在模拟过程中，当粒子之间的距离大于一定值(即截断半径)时，两者之间的作用力可以忽略不计。因此，计算某个粒子的受力情况只需计算以该粒子为中心的截断半径范围内的粒子(即邻居粒子)对该粒子的受力情况。现有技术采用邻接表数据结构来存储当前时间步内每个粒子的邻居粒子。在模拟过程中，粒子通常会在模拟区域不断移动，因此每个粒子的邻居粒子也会不断发生变化。因此，在每个时间步模拟之前，都会计算每个粒子与模拟区域中其他粒子之间的距离，以判断哪些粒子在该粒子的截断半径范围内，并将截断半径范围内的邻居粒子编号存储到邻接表中，完成邻接表的更新(即重新建立)。为了减小邻居粒子的搜索范围，现有分子动力学模拟软件会进一步将整个模拟区域划分成多个元胞；在建立或更新某个粒子的邻接表时，只需判断本地元胞以及邻居元胞区域中的粒子是否在该粒子的截断半径范围内，而非搜索整个模拟区域。综上所述，在邻接表的建立或更新过程中，现有技术均会计算粒子之间的距离以判断粒子是否在截断半径范围内。设在三维模拟空间中，设两个粒子P₁及P₂的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)以及(x₂,y₂,z₂)，现有技术会采用如下公式(1)来计算P₁及P₂两个粒子之间的距离。这种计算方法虽然简单直观，但由于涉及到开平方及乘法运算，因此在计算机上的执行效率并不高。

在现代计算机上，执行位运算、加法或减法运算大约需要几个时钟周期；执行乘法运算大约需要十几个时钟周期；而开平方运算需要调用数学库中的函数来实现，执行需要数千个时钟周期。在现有技术中，建立或更新邻接表要涉及加法、减法、乘法(平方)以及开平方运算，如公式(1)所示。可以看出，由于现有技术中邻接表建立涉及开平方及乘法运算，其计算效率很低。而邻接表建立是分子动力学模拟当中需要频繁调用的操作，计算效率低会使其成为性能瓶颈。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术中邻接表建立计算性能差的问题，提出了一种基于位运算的邻接表快速建立方法。本发明消除了现有技术中计算效率低的开平方及乘法运算，只通过位运算及减法运算即可实现分子动力学模拟中邻接表的建立，相对于现有技术显著提升了邻接表建立的计算性能。

具体地说，本发明公开了一种分子动力学模拟中邻接表快速建立方法，其中包括：

步骤1、获取包含多个粒子的三维模拟区域，并通过二进制数表示每一个粒子的三维坐标，作为每一个粒子的整数坐标，从多个粒子中选择待比较的粒子对，并将该粒子对中粒子分别命名为第一粒子与第二粒子；

步骤2、将该第一粒子的整数坐标与第一掩码进行按位或运算后减去该第二粒子的整数坐标，得到第一差值，将该第二粒子的整数坐标与第一掩码进行按位或运算后减去该第一粒子的整数坐标，得到第二差值；