分子动力学模拟中基于GPU的范德华非键作用计算

Abstract

GPU最初是专为图形渲染而设计的,近年来已经演化为高并行度、多线程、具有强大计算能力和极高存储器带宽的通用多核处理器,目前主流GPU的峰值计算能力通常可达CPU的数10倍。这提供了1种解决大计算量难题的新的可能。分子动力学模拟需要极强的计算能力,故使用GPU来进行分子动力学模拟的尝试是很自然的选择。本文基于NVIDIA的GeForce GTX295GPU和CUDA2.3开发环境实现了范德华力计算、范德华势能计算和基于网格的邻居搜索。在邻居搜索算法实现中,对于不同计算能力的GPU给出了不同的实现策略。对36万粒子规模的高分子聚乙烯体系算例的测试表明：1个时间步的计算结果与计算性能突出的分子动力学软件GROMACS相应的计算结果一致（运行在工作站Intel Xeon E 5405上）,相对于CPU单核计算性能有大幅提高,其中邻居搜索加速了17倍,范德华力计算加速了47倍;并且解决了邻居搜索时的边界问题。虽然本文是针对范德华力的计算,但是策略是通用的,其他方向的研究人员也可以参考。测试结果表明,使用GPU来加速较大规模计算量的计算是可取的