eMD：基于異構計算的大規模分子動力學模擬軟件

徐順，張寶花，劉倩，金鐘

中國科學院計算機網絡信息中心，北京 100083

引 言

分子動力學模擬（Molecular Dynamics,MD）方法[1]是在原子水平上利用經典牛頓力學方程研究分子運動狀態的計算機模擬方法，隨著計算機計算能力的提升，分子動力學模擬已經成為分子體系理論研究的一種重要方法[2]。MD方法與量子化學理論分析相比，動力學時間尺度可更長、研究體系可更大；與實驗手段相比，原子分子尺度動態細節更豐富，實驗成本更低、實驗條件更少限制。分子動力學方法首先針對體系原子/分子相互作用建立力場模型，形成一套依賴分子位置和狀態的經驗性的分子勢能（多體）函數，進而通過計算每個原子/分子的勢能函數得出體系勢能，再利用牛頓運動定律求解原子/分子運動方程，以得到原子在勢能面上的運動軌跡，再通過統計力學方法基于這些基本的運動軌跡信息，構建出體系的宏觀特性如溫度、擴散和相變等等。分子動力學方法可以模擬生化分子體系、聚合物、金屬及非金屬等等，在物理、化學、生物、材料、醫藥等多個領域都有廣泛的應用。

基于蒙特卡洛方法（Monte Carlo,MC）的分子模擬[3]其在計算勢能之后的運動取向完全基于概率統計分布，相比MD 方法，系統中的粒子沒有遵循運動學物理規律，即缺乏動力學信息；基于量子力學的分子動力學模擬，是借助量子力學計算原子、電子層級的相互作用（量子計算化學方法），用于研究化學反應機理、過渡態、微觀作用路徑……