[发明专利]一种计算粒子间相互作用力的方法及系统

说明书

本发明公开了一种计算粒子间相互作用力的方法和系统，涉及分子动力学模拟系统技术领域，包括基于从傅里叶空间中随机抽取的部分傅里叶项、所述傅里叶空间的电荷分布、粒子的带电量，得到所述粒子的库仑长程力；其中，所述傅里叶空间与计算所述库仑长程力的函数相对应。采样方法包括重要性采样，随机抽取的部分傅里叶项的数量级为百或千。该方法还包括根据库仑定律得到库仑短程力；根据其他参数得到粒子的伦纳德琼斯力和成键相互作用力；最后得到相互作用力。该方法可用于分子动力学模拟中，减少计算的时间复杂度，减小数据通信量，从而提高计算性能和并行效率，降低通信方面的消耗。

技术领域

本发明涉及分子动力学模拟技术领域，尤其涉及一种计算粒子间相互作用力的方法及系统。

背景技术

分子动力学模拟是描述微纳尺度体系演化的一种重要的计算机模拟方法，被广泛应用于生物分子、药物设计和能源材料等领域，是科学计算最为重要的方法之一。它通过计算粒子之间的相互作用力和牛顿运动方程得到所有粒子的速度和位置，从这些轨迹得到一系列的热力学和动力学性质，如密度分布、结合能、扩散系数、迁移率等。传统的分子动力学力场将势能函数分解为短程的键能相互作用、范德华相互作用和长程的库仑相互作用，并依次计算它们对势能的贡献。

在分子动力学模拟的力计算中，库仑长程相互作用的处理具有最高的时间复杂度O(N²)，其中N是体系中总的粒子数。在大规模生物体系中，N的取值可能会达到亿(10⁸)的数量级。因此，库仑长程相互作用的处理耗时巨大，往往要占据90％以上的计算资源。另一方面，库仑相互作用又是不可忽略的。不计算库仑力就没办法准确地描述系统中的多体关联，也无法准确模拟大部分软物质系统的功能和性质。例如DNA和RNA等生物大分子的结构和功能的调控，胶体颗粒的自组装，水分子的结构性质以及细胞膜上钠-钾泵离子通道的形态和功能等，都是由库仑相互作用来起主要调控作用的。因此，发展快速计算库仑力的方法是十分必要的，也是分子模拟领域近半个世纪以来最亟待解决的问题之一。

前人的研究中，提出了许多在当时的时代技术背景下有效的库仑相互作用处理方法。一类重要的方法是基于球谐函数或其他基函数对自由空间中的三维泊松方程的格林函数做展开的思想而提出的。这类方法的鼻祖是Greengard和Rokhlin于1987年提出的快速多级子(FMM，Fast Multipole Method)方法。该方法通过构造拉普拉斯方程基本解的多级展开和局部展开来快速计算库仑力，并在随后的三十年间推广至任意满足二阶椭圆偏微分方程的核函数及部分径向基函数，其优点是具有O(N)的最优线性复杂度。Ewald求和方法是另一类计算库仑力的方法，包括经典Ewald方法，其复杂度为O(N^3/2)。及后续使用格矢求和及快速傅里叶变换(FFT，Fast Fourier Transform)改进的Ewald方法，即PPPM埃瓦尔德方法(particle-particle particle mesh Ewald，粒子-粒子-粒子网格埃瓦尔德方法)，其复杂度为O(NlogN))。无论哪种方法，它们都是在傅里叶空间中利用全部傅里叶项来进行计算，其计算时间复杂度都是很高的。

此外，现有技术的计算数据通信量过高也成为了瓶颈。近年来随着硬件性能的提升，特别是算力更强的高性能服务器的出现，并行效率低也成为了现有技术的一个普遍存在且亟待解决的问题。当使用核数增加时，现有方法中数据通信时间的占比甚至会大大超过计算时间的占比。基于FMM的方法需要构造复杂的自适应分层树结构。例如，二维问题要构建四叉树，三维问题要构造八叉树。在实现这些方法时需要进行复杂的进程间通信处理，使得这些方法的并行效率下降严重。FMM方法的另一个缺点是构建复杂数据结构所需的处理时间过长。经典的Ewald求和方法每次计算需要传输的数据量是O(N^3/2)，这表示随着粒子数的增加，通信时间会快速增长，从而导致这些方法的并行效率降低。而作为基于FFT的方法，PPPM方法更是需要CPU与CPU之间广泛而密集的通信，并且复杂度为O(NlogN)，无法达到最优的线性复杂度。