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概述经典分子动力学模拟计算
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3秒自动关闭窗口　　【IT168 资讯】“大自然并不友善”在纪录世界各地瘟疫爆发过程的《逼近的瘟疫》一书中曾这样提过。埃博拉、HIV、沙拉……这些病毒我们曾谈之色变，地球在孕育生命的同时，危险也在悄悄潜伏，人类需要在病毒面前尽快找出可以攻克的药物。分子动力学模拟被广泛的应用在现代药物开发设计中，常被称为人类战胜病毒的“武器”。　　想要了解生命活动过程并进行针对性的药物设计，仅仅知道病毒的基因序列是不够的，折叠成三维立体构像的活性蛋白质及相关复合物才是关键，通过研究和分析相关蛋白质，找到可以和药物分子有特异性相互作用的靶点，才能最终成功开发出可以治疗这项疾病的药物。　　分子动力学模拟可以通过计算原子之间的相互作用，求解牛顿方程，来模拟体系中原子和分子的运动，它所产生的丰富构像是解释生命活动现象、设计药物分子所不可或缺的重要手段。图一：药物设计开发过程(图片来源于Nature)　　分子动力学模拟对高性能计算的需求　　在分子动力学模拟中，一般需要模拟微秒级或毫秒级的病毒或肿瘤蛋白折叠过程才能积累到足够的样本量，因此必须要用到高性能计算来进行分子动力学模拟。从下图我们可以看出分子动力学模拟对高性能计算的需求，美国俄亥俄州超算中心奥克利超级计算机的数据显示Gromacs和NAMD两大分子动力学模拟应用已经占到了其运行机时的25%。图二：奥克利超级计算机机时占用情况　　从理论入手进行分子动力学模拟优化　　但是，计算过程中各节点的间的通讯、负责均衡等问题都会对高性能计算在分子动力学模拟中的应用产生影响。那么，分子动力学模拟程序应该如何优化和加速呢?我们可以先看一下它的理论基础。　　在分子动力学模拟中,体系原子的一系列位移是通过对牛顿运动方程积分得到的,其结果是一条运动轨迹,它表明了系统内原子的位置与速度如何随时间而发生变化。通过解牛顿第二定律的微分方程,可以获得原子的运动轨迹，为了得到原子的运动轨迹,可以采用有限差分法来求解运动方程。有限差分法的基本思想就是将积分分成很多小步,每一小步的时间固定为 δt。用有限差分解运动方程有许多方法, 比较常见的有Leap-frog 算法和Velocity-Verlet 算法等。　　实际案例：5步详解分子动力学模拟优化　　下面，我们以一个25万原子数的体系为例子，借助浪潮自主研发的“天眼”高性能应用特征分析系统(简称浪潮天眼)，来分析Gromacs(5.0版本)和NAMD(2.6版本)两个典型的分子动力学应用在运行同一算例时的运行特征。　　该测试集群采用了浪潮NF5440M4刀片节点，单节点处理性能近1万亿次，支持AVX2.0指令集，单节点内存容量64GB DDR4，且充分发挥了“四通道内存”及“DDR4频率优势”，网络方面采用了国内领先的InfiniBand技术，网络带宽高达 56Gb/s。本次测试共计采用96计算核心。　　CPU资源使用情况　　下面两个图分别是Gromacs运行该算例时对某一个计算节点的CPU使用情况，和对应的CPI值，由于Gromacs运行过程中特征一致，因此我们截取了约25mins时间段内的数据进行分析。由于NAMD的特征和下图基本一致，在此处略去。图三：浪潮天眼监测的Gromacs CPU资源使用情况图四:浪潮天眼监测的CPI数据情况　　从图三种可以看出CPU的使用率一直维持在100%，表明Gromacs和NAMD是计算密集型，而在图四上，可以看出其CPI数据维持在0.5左右，远低于1，因此进一步推断出Gromacs和NAMD应用具体属于浮点计算密集型。　　对于浮点计算密集型的程序，主流优化的思路就是借助于CPU的单指令多任务(SIMD)指令集，特别是AVX和AVX2指令集。下图给出了几个常见的分子动力学模拟软件在E5-2600V3平台上使用AVX指令集和不使用AVX指令集时候的性能对比。图五：使用AVX指令集和不使用AVX指令集性能对比图　　从图五可以看出，使用AVX2指令集进行加速之后，NAMD、Gromacs和Lammps三个软件的性能均有所上升，其中以Gromacs的提升最大，提升了1.6倍左右。　　内存使用情况　　下图是浪潮天眼测试的Gromacs运行过程中的内存使用情况，其单一节点的内存使用在2GB左右，而运行同一算例的NAMD的单节点内存使用在4GB左右。图六：浪潮天眼测试的Gromacs内存使用情况　　考虑到大部分的分子动力学研究的计算规模都是10万-100万原子数规模，因此可以看出分子动力学模拟应用对内存容量的需求并不是很大。这也就是说，运行这一类应用时，一般的双路高性能服务器就可以满足其对内存的需求，并不需要使用胖节点。　　内存带宽情况　　下图是浪潮天眼依次给出的Gromacs和NAMD两个软件在运行时某一节点的内存带宽情况。可以看到，经过前几分钟的调整之后，总内存读写带宽(红线)均维持在一个较为稳定的值;其中Gromacs的值在13GB/s，NAMD的值在25GB/s左右。图七：浪潮天眼监测的Gromacs内存带宽情况图八：浪潮天眼监测的NAMD内存带宽情况　　可以看出，在本测试算例中，两程序运行时对内存带宽的需求并不是特别大。但是，需要提到的是，内存带宽的大小是和算例规模有关系的，随着算例规模的增大，原子数的增多，程序对内存带宽的需求会变大。　　网络通信情况　　下面两个图依次是浪潮天眼测试的Gromacs和NAMD运行时的网络带宽情况，其中重合的红线和绿线分别对应IB网络的数据发送和数据接收。可以看出Gromacs运行时的网络通信带宽在300MB/s左右，而NAMD运行时的网络通信带宽则高达1000MB/s。图九：浪潮天眼测试的Gromacs网络通信情况图十：浪潮天眼测试的NAMD网络通信情况　　除了网络带宽之外，从这两个图中我们也可以看出网络通信是一个持续的数据流，这也就意味着网络延迟(latency)也会对程序性能有较大影响，即低延迟的网络会对程序的性能有较好的提升作用。这也就意味着，在网络的选择方面，高带宽、低延迟的InfiniBand网络，是一个较好的选择。　　磁盘读写　　分子动力学程序在运行时只会输出对应的轨迹文件，而该文件的输出也是程序每运行几百时间步时追加写入一次，因此其在运行时对磁盘读写并没有什么特殊的需求。　　分子动力学模拟计算集群配置方案建议　　通过以上比较我们可以发现，即使是对于同样大小的体系，Gromacs和NAMD对计算资源的需求也是不一样的，NAMD需要相对更多的内存、内存带宽以及网络带宽，而不同的体系大小，也会体现出对计算资源需求的差异。　　根据这些分子动力学模拟软件的普遍特点，我们也给出了如下的集群配置建议：(1)选择核心数更多，AVX频率更高的CPU，充分利用CPU的向量化浮点运算能力;(2)合理的搭配内存的数量和容量，虽然这些应用对内存容量的需求不高，但是有不小的内存带宽需求，因此建议单节点搭配不少于8条内存来充分满足应用的内存带宽需求;(3)选择高带宽、低延迟的网络，当前市面上主流的Infiniband和OPA网络均是不错的选择。　　浪潮在分子动力学模拟应用的调优优化方面有丰富的经验，通过浪潮天眼可以更全面、更精细的分析软件的运行特征，提供软硬一体化的全方位优化方案，目前浪潮在该领域的应用方案已经广泛的应用在了各高校和科研院所的相应领域的科学研究中。　　标签：浪潮　　分享到：　　0 个人觉得赞好文章 点个赞您已经赞过了+1503 Service Temporarily Unavailable
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openresty/1.9.7.4高岭石-水体系中水分子结构的分子动力学模拟 _物理化学学报
ISSN CN 11-1892/O6CODEN WHXUEU
10.3866/PKU.WHXB
高岭石-水体系中水分子结构的分子动力学模拟
中国矿业大学材料科学与工程学院, 江苏 徐州 221116
Full text:
以Hendricks模型为初始结构, 利用CLAYFF力场对高岭石-水体系进行无晶体学限制的分子动力学模拟. 结果表明, 层间水有三种类型: I型类似于Costanzo提出的&洞水&分子, 其HH矢量(水分子中从一个氢原子位置指向另一个氢原子位置的方向矢量)平行于(001)平面, 而C2轴稍微倾斜于(001)面法线; II型类似于&连接水&, 一个氢氧键指向临近的层间四面体氧形成氢键, 另一个氢氧键与(001)面近似平行; III型水分子在层间近似保持为竖直状, 一个氢与层间四面体氧形成氢键, 而另一个氢与对面层的羟基氧形成氢键. 高岭石羟基氢沿(001)晶面法线的浓度曲线显示一部分羟基指向变为近似平行于(001)面, 羟基氧因此能够暴露出来与层间水分子氢形成氢键. 此外, 模拟中还观察到部分II型水分子氧偏离于层间的平均位置而更靠近四面体层, 这和Costanzo的实验结果一致, 可能是X射线谱图中(002)弱衍射峰出现的原因.
网出版日期
通讯作者: 强颖怀 Email: yhqiang@
牛继南, 强颖怀. 高岭石-水体系中水分子结构的分子动力学模拟[J]. 物理化学学报, 2009,25(06): .
NIU Ji-Nan, QIANG Ying-Huai. Molecular Dynamics Simulation on Structure of Water Molecules in a Kaolinite-Water System[J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2009, 25(06): .
&& doi: 10.3866/PKU.WHXB
<INPUT type="hidden" value="我在《物理化学学报》上发现了关于“力场|高岭石|水|分子动力学”几篇好文章，特向您推荐。请点击下面的网址：" name="neirong">
本文作者相关文章碳纳米管中水分子微观特性的分子动力学模拟--《中北大学》2015年硕士论文
碳纳米管中水分子微观特性的分子动力学模拟
【摘要】：本文运用分子动力学方法模拟了水分子受限于单壁碳纳米管（SWCNT）中时的结构和动力学行为。分别考察了三种常见的水分子模型（SPC/E、TIP4P、TIPS2）以及温度和孔径对水的结构及其聚集特性的影响，探究了水的结构及其扩散系数受电偶极矩和电四极矩的影响。研究结果显示：体相水的聚集特性因三种水分子模型的差异并没有表现出明显的不同，然而受限于碳纳米管中水的结构出现了明显的差异；电偶极矩对扩散系数起主要的作用，而电四极矩对水分子结构起主要的作用。管径相同时，随着温度的升高，水的有序化程度逐渐降低。结果表明，当碳管管径较小时，水分子大多聚集于管的中央轴线附近，然而在较大管径的碳管中，水分子大多聚集于管壁附近。沿着不同方向看，受限于不同管径中的水分子会呈现出不同的结构：垂直于管轴看，水分子在SWCNT（6，6）中通过氢键形成单分子链，在SWCNT（7，7）中形成两条平行的水链；平行于管轴看，SWCNT（8，8）中出现了规则的四边形结构。
通过截取温度为300K时32个水分子受限于SWCNT（9，9）中时的几个连续模拟快照来探究水在碳管中的运动，发现水分子形成了水团簇，并且水团簇在碳管中周期性地做摩擦很小的滑动。为了探究短时间内分子传输运动的整体特征，计算了水分子的速度相关函数。发现速度相关函数具有震荡特性，然而由于水分子间以及水分子与碳原子间的震荡能够很快破坏速度的相关性，所以沿着管长方向的震荡衰退得非常快。
【关键词】：
【学位授予单位】：中北大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2015【分类号】：TB383.1;O613.71【目录】：
摘要4-5Abstract5-9第1章 绪论9-13 1.1 课题研究的背景及国内外现状9-10 1.2 课题研究的目的和实际应用价值10-11
1.2.1 课题研究的目的10
1.2.2 课题研究的实际应用价值10-11 1.3 课题研究的主要内容11-13第2章 碳纳米管13-20 2.1 碳纳米管的发展背景13 2.2 碳纳米管的结构13-15 2.3 碳纳米管的特性15-17 2.4 碳纳米管的制备17-19 2.5 碳纳米管的应用前景19-20第3章 分子动力学模拟20-34 3.1 分子动力学模拟简介20 3.2 分子动力学模拟软件20 3.3 分子动力学模拟计算的原理20-27
3.3.1 运动方程的数值解法21-24
3.3.2 周期性边界条件24-25
3.3.3 势能的截断与最小印象规定25-26
3.3.4 积分步长的选取26-27 3.4 分子动力学模拟的系综27-28 3.5 分子动力学模拟的势能函数、相互作用模型28-29 3.6 分子动力学模拟中两个重要的物理量29-31
3.6.1 径向分布函数29-30
3.6.2 扩散系数30-31 3.7 分子动力学模拟流程31-34第4章 碳纳米管中水的结构及扩散的分子模拟研究34-43 4.1 前言34-35 4.2 实验35-36
4.2.1 势能模型35-36
4.2.2 模拟细节36 4.3 结果与讨论36-42
4.3.1 受限水分子的位置结构36-38
4.3.2 径向分布函数（RDF）38-42 4.4 结论42-43第5章 受限于碳纳米管中水的微观性质的分子模拟研究43-51 5.1 前言43 5.2 模型43-45
5.2.1 势能模型43-44
5.2.2 模拟细节44-45 5.3 研究结果45-50
5.3.1 水分子在碳纳米管中的结构45-46
5.3.2 受限水分子的扩散运动46-48
5.3.3 速度相关函数（VACF）48-50 5.4 结论50-51第6章 总结与展望51-53参考文献53-58攻读硕士期间发表的论文和所取得的研究成果58-59致谢59-60
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