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RBE | 快速算法赋能超大生物体系分子动力学模拟，助力高通量药物筛选和精准设计

2022年1月

分子动力学模拟（Molecular dynamics simulation，简称MD simulation），作为一种基于牛顿力学积分的、描述微观尺度下分子层面粒子间相互作用及动力学的计算模拟方法，在物理、化学、材料和生物等领域广泛应用，并取得巨大成就。然而目前传统的分子动力学模拟往往被限制在100万原子以下的小体系及小于10微秒的时间尺度，远不足以刻画许多真实的系统。

库仑相互作用（分子间的长程静电相互作用力计算复杂度高「O(N^2)」）是最主要的计算瓶颈，它的长程性导致计算核心之间密集通讯，大大降低使用计算机集群时的并行效率。因此，发展一种具有高精度、高速率和高可扩展性的分子模拟算法至关重要。2019年，上海交通大学自然科学学院院长金石教授与李磊教授、杜克大学刘建国教授提出的随机分批法(Random Batch Methods-RBM)成功将计算复杂度降到了N的量级，并给出了严格的误差收敛性估计。 近期，上海交通大学数学科学学院徐振礼教授和洪亮课题组合作，将RBM算法赋能计算化学，构造了Random Batch Ewald（RBE）算法来计算分子间的长程静电力。该成果入选第二届“上海交通大学十大科技进展”。目前，RBE方法已申请专利（受理号202110095324.8）。 “上海交通大学十大科技进展” 是2020年上海交通大学为贯彻国家创新驱动发展战略，进一步提升科研团队产出重大科研成果的积极性，以科技创新推进学校高水平发展而设立的。 目前该算法已应用于多个主流计算模拟软件LAMMPS、Gromacs等进行全原子分子动力学模拟。测试结果证明RBE算法在保持主流算法的精度下，能够将万核并行效率提高5倍，计算速度提高10倍。 此外，洪亮课题组联合上海交通大学上海应用数学中心团队在“思源一号”上完成了LAMMPS-RBE（LAMMPS-RBE是由上海交通大学上海应用数学中心团队基于LAMMPS二次开发的、完整应用RBE的自研软件）的测试。
点击此处试用：https://docs.hpc.sjtu.edu.cn/app/engineeringscience/lammps-rbe.html?highlight=rbe “思源一号”是上海交通大学全新上线的全国顶尖高性能计算机群，总计算力6千万亿次/秒，在中国高性能计算TOP 100榜单上排名12位，在中国高校高性能计算排名第一，其拥有的万核CPU对验证LAMMPS-RBE的大规模并行效率验证提供了很好的硬件条件，以下是部分测试数据。

【测试体系与结果一】
3亿个原子的全原子水体系，使用CPU核数量从1024到51200核，比较基于不同静电求解器(RBE和PPPM)的CPU时间和相对并行效率。并行效率是基于RBE方法在1024核时候的平均每核计算时间，并行效率计算方式为平均每核计算时间的相对比例。 PPPM在CPU万核开始，由于通讯开销大幅上升，计算时间反而随核数增加而下降。LAMMPS-RBE比PPPM在使用51200核时有接近三个数量级的相对并行效率提升，万核以内模拟的强扩展性在95%左右。

【测试体系与结果二】
全原子水体系, 使用CPU核数量从1到21384核，固定每个CPU核平均有4500个原子以测试基于不同静电求解器(RBE和PPPM)的CPU时间和弱可扩展性。 随着CPU核数的增加PPPM算法扩展性明显下降，1000核时下降到~10%。相比较，LAMMPS-RBE软件依旧在万核模拟中实现了接近80%的弱可扩展性。 值得一提的是，洪亮教授团队将该算法应用于计算药物分子和靶蛋白的结合自由能（Free energy pertubation，简称FEP），在多个靶点验证了算法的精度，与行业头部企业薛定谔相当。 团队目前正致力于解决RBM算法在生物体系动力学模拟中的应用，具体涉及短程相互作用的精准加速计算，以克服传统分子动力学模拟在计算相互作用时消耗大量时间的问题。在此基础上，结合GPU大装置、创新计算化学和计算物理方法，有望实现受体-配体结合动力学的加速模拟，尤其是超大生物体系的模拟。