使用快速Ewald求和法结合长椭球形粒子加速分子动力学模拟

《Nature Communications》：Accelerating molecular dynamics simulations using fast Ewald summation with prolates

　　

摘要

在分子动力学（MD）中，评估长程库仑相互作用是一个重要的计算负担，即使使用基于Ewald分裂和快速傅里叶变换的粒子网格Ewald（PME）或粒子-粒子-粒子-网格（PPPM）方法也是如此，这些方法仍难以实现接近线性的计算效率。我们提出了ESP方法——即使用长椭球波函数（PSWFs）进行Ewald求和——该方法能够更高效地表示库仑相互作用，同时减少所需的网格规模、全局通信量和粒子与网格之间的运算量，而不会损失计算精度。我们已经将ESP方法集成到了两个广泛使用的开源MD软件包LAMMPS和GROMACS中，从而便于快速进行比较和采用。与PME/PPPM方法相比，在10^?3到10^?4的误差容忍度下，ESP方法可使电静力相互作用的计算速度提高约3倍；当使用约10³个计算核心时，MD模拟的整体速度可提升2.5倍。在高精度要求（10^?5）下，远场电静力相互作用的计算速度可提高10倍，MD模拟的速度可提高5倍。此外，我们还证明了这些加速算法具有良好的核心数量扩展性，并通过实际的长时间生物学和材料模拟验证了其有效性。因此，ESP方法为缩短MD计算流程的时间和降低计算成本提供了一种实用且易于实施的解决方案。