[发明专利]一种用于异构集群环境中的自由能微扰计算调度方法

说明书

本发明提供一种用于异构集群环境中的自由能微扰计算调度方法，包括以下步骤：步骤A:通过预先构造好的分子/蛋白质等结构和输入文件，先进行npt系综动力学模拟过程，获得平衡态的结构；步骤B:运行基于哈密顿量的副本交换动力学计算，获得足够多的轨迹数据；步骤C:解析轨迹文件，再与各种prmtop组合,生成新的amber计算输入，计算组合后的每个构象对应的单点能;步骤D:使用正则表达式提取log文件中的能量数值，同时清理中间临时文件，完成单个分子的计算过程。本发明的方法配置灵活，可以同时处理多个分子的自由能计算，使用者需要简单地写好配置文档，通过配置生成运行时脚本，按照设定好的流程自动执行，也可指定某几步部分计算，计算解耦性好。

技术领域

本发明属于高性能计算和药物设计技术领域，具体为一种用于异构集群环境中的自由能微扰计算调度方法，：使用在异构(cpu+gpu)架构集群中，为自由能微扰计算服务提供高效的资源利用和微调度需求。

背景技术

现代计算机硬件gpu的更新换代，使得显卡gpu具备了强大的数据并行计算能力，将cpu与gpu结合起来构建异构集群很容易获得强大的计算能力，特别适合计算密集型的应用，而且越来越多的高性能计算(HPC)用户正在向基于GPU的群集迁移，来运行其科学和工程应用。在异构计算环境中允许用户计算模型中同时使用CPU和GPU，其中，应用的连续部分在CPU上运行，而计算密集的部分在GPU上运行。通过挖掘GPU的大规模并行能力、用户运行应用程序的速度和传统的基于CPU的模式相比，速度得到极大的提升。

在众多的药物设计方法中，自由能微扰计算(FEP)是评估药物小分子和靶点结合强度的一种高精度方法，它可以有效的去除假阳性分子，提高设计成功率，加速新药研发的进程。基于增强采样算法，高精度分子力场(Xforce)和严谨的数据统计分析方法建立起来的FEP流程，需要在短时间内精确地计算出数百个小分子药物候选化合物和靶点的结合自由能。XFEP在数十个测试体系和一系列的实际项目中的官能团替换和骨架跃迁计算上的预测误差(mean unsigned error)均低于1.0kcal/mol，预测值和实验中得到的数据显示显著相关性。这一高精度方法需要大量的计算量来支撑，而且工业应用，对计算体系有时效性的要求，这就需要尽可能地提升计算时间和精度。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供一种用于异构集群环境中的自由能微扰计算调度方法，充分利用gpu+cpu异构集群资源来承担大批量的自由能微扰计算，特别是在采用基于溶剂温度的副本交换(假设在温度升高时，溶剂分子运动，而溶质分子锁定的一种副本交换方法)。

自由能微扰是计算自由能的一种常用方法，以正则系综为例，从状态a到状态b的自由能变化可以由下式子算出：

其中T为温度，H_A和H_B分别为状态A和状态A的哈密顿量，kB为玻尔兹曼常数，表示在状态A的系综中去系综平均。简单地说，为了计算状态A与状态B之间的自由能差，需要通过在状态A的系综中对两状态之间的能量差采样，然后求平均。采样可以使用分子动力学或者蒙特卡洛方法模拟。由于精确的自由能计算需要大量的采样，由此带来的计算量很大，实现过程中，为加速采样过程，人们发展了一系列增强采样的方法，其中Replica Exchangewith Solute Tempering(rest2)增强采样方法就是其中一种有效方法。Rest2方法是基于哈密顿量的副本交换动力学，通过增强了邻近副本的采样，可选择感兴趣的自由度，biasing强度与(exp(-V/kt))相关来加速了自由能计算过程。

具体步骤包括如下：

一种用于异构集群环境中的自由能微扰计算调度方法，包括以下步骤：

其特征在于，应用于异构集群中的集群调度器，所述异构集群包括很多节点，所述方法包括：