英文原题:
Quantum mechanics/molecular mechanics simulationson NVIDIA and AMD graphics processing units
通讯作者: Kenneth M. Merz,密歇根州立大学;Andreas W. Götz,加州大学圣地亚哥分校
作者:Madushanka Manathunga, Hasan Metin Aktulga
背景介绍
量子和分子力学(QM/MM)模拟通过将体系划分为不同区域,以提高模拟准确性,控制计算成本,使其在计算化学和生物学领域的应用越来越广泛。在模拟过程中,95%以上的计算时间都用在了QM区域。为了充分利用并行处理和图形处理硬件平台的算力,科研工作者持续在开发新QM算法方向上做出努力。随着GPU的快速发展,在新平台上实现计算化学应用的需求也越来越大。
文章亮点
针对上述需求,2023年1月31日,密歇根州立大学Kenneth M. Merz 教授团队在化学信息学和人工智能研究领域的国际权威学术期刊 Journal of Chemical Information and Modeling 上发表了题为“Quantum mechanics/molecular mechanics simulations on NVIDIA and AMD graphics processing units”的研究论文,系统提高了 QUICK/AMBER 软件在 NVIDIA 显卡上的计算性能,并在 AMD 显卡上移植和优化了相关计算,该研究有助于相关软件在最先进计算平台上的部署应用。
图1:光敏黄蛋白的QM/MM模拟体系
基于 QM/MM 的计算理论和 GPU 的工作原理,作者开发了 CUDA 的代码生成器和优化器用于计算原始积分,并挑选出最佳的代码路径,以提高 QUICK 程序在显卡上的计算性能。同时,作者还讨论了 QUICK 程序在显卡上的移植、优化以及对 AMBER 软件的修改。使用翻译器将 QUICK 在 CUDA 上的代码移植到 AMD GPU 上,实现了 QUICK 程序在 AMD 显卡上的部署。作者根据寄存器的利用率和运行时间,发现了最优的代码路径,并根据内核启动参数与内核性能间的关系,优化启动参数,最终对 AmberTools 程序中的构建系统开展了更新。
图2:NVIDIA 和 AMD 显卡上的 QM/MM 计算性能对比
依托光敏黄蛋白模拟体系(如图1),本研究进一步对 NVIDIA 和 AMD 显卡上的 QM/MM 计算性能开展了比较。结果显示,QUICK 性能的改进使 QM 区的计算速度大幅提高(如图2)。在 QM 区最小的模拟体系中,NVIDIA V100 的运行速度比 AMD MI100 快2.3倍。随着 QM 区变大,二者的性能相似。
综上所述,此项研究提高了 QUICK 程序在 NVIDIA 显卡上的计算性能,使其计算速度提高了数倍;并在 AMD 显卡上移植和优化了 QM/MM 计算方法,对于 QM 区中等大小的模拟体系,其性能与 NVIDIA 相似。该项研究为 AMBER 软件在更广泛的硬件平台上开展 QM/MM 模拟打下了坚实的基础。
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J. Chem. Inf. Model. 2023, 63, 3, 711–717
Publication Date: Jan. 31, 2023
https://doi.org/10.1021/acs.jcim.2c01505
Copyright © 2023 American Chemical Society
IF 2021: 6.162
Citaions 2021: 30,162
CiteScore 2021:7.7
The Journal of Chemical Information and Modeling publishes papers reporting new methodology and/or important applications in the fields of chemical informatics and molecular modeling.Astute chemists, computer scientists, and information specialists look to this monthly’s insightful research studies, programming innovations, and software reviews to keep current with advances in this integral, multidisciplinary field.
主编:Kenneth M. Merz Jr.(Michigan State University)
副主编
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