CN1668921A - 分子系统的分子力学分析的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种分子系统的分子力学分析的方法及装置，其具有可重新配置的特殊用途的硬件，用于分析分子系统。本发明提供一种加速器，其用于执行分子系统的分子力学计算，其包括：存储器，用于存储分子系统拓扑数据和分子系统原子数据，分子系统原子数据包括原子类型、点电荷、以及分子系统中每一个原子的三维坐标；处理器，其连接于存储器，处理器是一个单片集成电路，其具有被编程的可编程逻辑计算至少一个局部相互作用项和计算非键合相互作用项。在一个可编程逻辑设备集成电路上进行全部的分子力学计算。该单片集成电路加速器通过执行运行时PLD重新编程来处理分子力学计算中的不同的项。

Description

分子系统的分子力学分析的方法及装置

本申请要求申请号为60/395,155，申请日为2002年7月10日的临时申请的优先权。

技术领域

本发明涉及一种分子分析，特别是涉及一种分子系统的分子力学分析的方法及装置。

背景技术

分子力学算法用于模拟分子系统的物理性质，如自由能变化、溶解能、原子内力、配体/目标配合物或者其他主体/客体(HOST/GUEST)配合物的结合能。分子力学算法包括例如：MMFF94、OPLS、AMBER、MM4以及CHARMM。分子系统的能量通过计算各组成部分的能量项的和得到。有局部能量项和非键合能量项。典型的局部能量项是两个原子的键合能、三个原子的角键合能、以及四个原子的二面角能。典型的非键合能项是成对的非键合原子间的静电能、和成对的非键合原子间的范德华力。其他的局部能量项也可能包括诸如非正常扭角能、面外弯曲能、尤里-布拉德利能、角伸展弯曲能等类似能量。每个原子力都是这个原子能量的导数。所有原子的能量的二阶导数，黑森矩阵，有时被用于极小化过程的计算。

在传统的分子力学算法中，原子对之间的非键合的相互作用被用于计算分子系统中的每一原子对，除了被低于某个门槛键值分离的原子对之间的分子内相互作用，以及被某个因子加权的一个特定的精确键值分离的原子对间的分子内相互作用。这些分子内相互作用是指“邻近非键合”。换言之，此处的“邻近”意思是至少两个原子被低于某个门槛键值分离，其包括但不限于被某个特定键值分离的原子对。

非键合相互作用项，范德华能和静电相互作用在分子体系能量计算中是最消耗时间的一个部分，因为非键合项是要计算每一个原子和分子系统中每一个其他原子之间的相互作用。就是说，在这样的计算中，非键合项是原子数目的O(n²)(n²次方)。因此，与局部项相比，非键合项对于加速来说是更重要的项，局部项是原子数目的O(n)(n次方)。

但是，加速局部相互作用项还是很重要的。典型的，在分子力学计算中，局部相互作用的计算约占全部计算时间的1％，非键合相互作用约占全部能量计算时间的99％。因此，通常上认为只有非键合项的计算才需要加速。但是，这种认为是似是而非的。例如，假定全部的计算花费1秒的时间，并且有一个加速器使非键合部分的计算加速100倍。这将意味着非键合部分的计算时间从0.99秒变为0.0099秒，而局部部分的计算时间还是0.01秒。所以，经过加速后的全部计算时间是0.0099+0.01＝0.0199秒，大约是0.02秒。但是0.02秒是原来1秒的1/50。因此，全部的计算时间只是加入了一个50的因子而减少，尽管非键合部分的计算是经过加速因子为100的加速。

此外，非键合部分的计算的加速相对于全部计算的加速之间的差异是随着加速因子的增加而增加。这就是说，如果局部部分的计算没有加速，那么在非键合部分的计算加速方面存在着收益递减。考虑用另外一个例子来说明这个问题，还采用上述假设中关于非键合相与局部相之间的时间分配比例，其可能包括或者可能不包括二阶导数的计算。假设全部的计算时间是1秒钟并且给定非键合相计算部分的一个加速因子是1000。这意味着非键合相的计算时间从0.99秒变为0.00099秒，局部部分还保持为0.01秒。所以，加速后的全部计算时间是0.00099+0.01＝0.01099秒，其大约是0.01秒。但是0.01秒是原始计算时间1秒的1/100。因此，对于全部的计算时间而言其加速因子是100，尽管非键合相计算是经过加速因子为1000的加速。

这些例子说明了加速局部部分的计算的重要性，尽管它只占一个标准过程所需时间的1％。这个例子还表明了非键合相的计算加速程度越大，局部部分计算的加速就越重要。

为了加速分子系统的能量和力的计算，其他的人曾经作过如下尝试：

用与TTL兼容的定点运算器件相连接的PROM中的微程序来实现力的计算和时间积分(请参阅A.F.Bakker，C.Bruin，Design and implementationof the Delft molecular-dynamics processor，in Special PurposeComputers；edited by B.J.Alder.Academic Press，San DIEGO，CA，pp.183-232(1988))；

用LSI实现的浮点计算，使用下载的的微程序用于力的计算(请参阅A.F.Bakker，G.H.Gilmer，M.H.Grabow，K.Thompson，A Special PurposeComputer for Molecular Dynamics Calculations，J.Comp.Phys.，90：313-335(1990))；

采用一种具有专门用途硬件的计算机，用于计算非键合力、库仑力、库仑势能、范德华力和范德华势能(请参阅R.Fine，G.Dimmer，C.LEVINTHAL，FASTRUN：A Special Purpose.Hardwired Computer for MolecularSimulation，Proteins，11：242-253(1991)；或者D.G.Dimmer，R.Fine，C.Levinthal；FASTRUN：A High Performance Computing Device forMolecular Mechanics Using a Pipeline Architecture；BNL 37221；Nuc.Sci.Symp.，22-25 October(1985)，San Francisco，CA；IEEE Trans.Nuc.Sci.NS-33，No.1，February(1986)870-874))；

一种专门用途的计算机，用于计算非键合力，其采用一个单独管道(请参阅T.Ito，J.Makino，T.Fukushige，T.Ebisuzaki，S.K.Okumura，D.Sugimoto，A Special-Purpose Computer for N-Body Simulations：GRAPE-2A.Pubis，Astron.Soc.Japan，45：339-348(1993))；

一种专门用途的计算机，用于对于DFT和IDFT采用定点计算的艾沃德(Ewald)方法的波形空间部分的计算(请参阅T.Fukushige，J.Makino，T.Ito，S.Okumrua，T Ebisuzaki，and D.Sugimoto，WINE-1：Special-Purpose Computer for N-body Simulations with a Periodic BoundaryCondition，Pubis.，Astron.Soc.Japan，45：361-375(1993))；

LSI(大规模集成电路)用于计算从相邻列表中产生的非键合力、范德华力或者势能，该列表产生于具有存储在OFF-LSI存储器中的系数的板(请参阅Toyoda，H.Miyagawa，K.Kitamura，T.Amisaki，E.Hashimoto，H.Ikeda，A.Kusumi，and N.Miyakawa，Development of MD Engine：High-Speed Accelerator with Parallel Processor Design for MolecularDynamics Simulations，Journal of Computational Chemistry，20，2：185-199(1999))；

LSI用于计算非键合力、实空间库仑力、波数空间库仑力、DFT、具有存储在off-ASIC存储器的系数的IDFT(请参阅T.Fukushige，M.Taiji，J.Makino，T.Ebisuzaki，and D.Sugimoto，A HIGHLY-PARALLELIZEDSpecial-Purpose Computer for Many-body Simulations with an ArbitraryCentral Force：MD-GRAPE，ASTROPHYSICAL Journal，468：51-61(1996))；以及

仅用于计算非键合力的LSI，具有低于100浮点运算/芯片，该芯片具有存储芯片中的范德华系数和32个原子类型/芯片(请参阅T.Narumi，Special-purpose computer for molecular dynamics simulations，Doctoral thesis，Department of General Systems Studies，College ofArts and Sciences，University of Tokyo(1998))。

最近，研究人员已经从专用计算机和大规模集成电路转向可变成逻辑器件，如现场可编程门阵列(FPGA)。一些研究人员已经使用FPGA来进行非键合计算(请参阅T.Hamada，T.Fukushige，A.Kawai，J.Makino，PROGRAPE-1：A Programmable，Multi-Purpose Computer for Many-BodySimulations，Publ.Astron.Soc.Japan 52：943-954(2000))，以及用于二维晶格和接触电势计算(非分子力学)(请参阅B.Shackleford，DCarter，G Snider，E.Okushi，M.Yasuda，H.Kozizumi，K.Seo，T.IWANOTO，and H Yasuura，An FPGA-Based Genetic Algorithm Machine，Eighth ACM International Symposium on Field-Programmable Gate Arrays(2000)；和H.Simmler，E.Bindewald，R.Manner，Acceleration ofProtein Energy Calculation by FPGAs，Proc.of the Int.Conf.onMathem.and Engineering Techniques in Medicine and BiologicalSciences(METMBS’00)，Las Vegas，177-183(2000))。另外，FPGA运行时的重新配置也已经被描述(请参阅E.Lemoine，D.Merceron，Run TimeReconguration of FPGA for Scanning Genomic Data Bases，IEEE Symposiumon FPGAs for Custom Computing Machines，pp.90-98(1995))。

实质上的费用节省，同时缩短上市时间，都可以通过用使用PLD来实现。在此之前，没有PLD被用来实现分子力学的非键合计算和局部计算功能。然而，如上所述，通过提高非键合计算和局部计算的速度可以获得实质上的优势。因此，通过在一单片PLD上实现分子力学计算既是需要的又是适用的。

发明内容

本发明的一个目的是提供在分子系统分析中比本领域内现有习知技术更快的方法和装置。

本发明进一步提供了分子系统分析中的方法和装置，它使在非键合项计算内环中不再需要测试原子间临近非键合相互作用的步骤。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种加速器，其用于执行分子系统的分子力学计算，其包括：存储器，用于存储分子系统拓扑数据和分子系统原子数据，分子系统原子数据包括原子类型、点电荷、以及分子系统中每一个原子的三维坐标；处理器，其连接于存储器，处理器是一个单片集成电路，其具有被编程的可编程逻辑计算至少一个局部相互作用项和计算非键合相互作用项。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的加速器，其中所述的非键合相互作用项的计算包括：计算至少一套仅用于邻近原子对非键合相互作用项；以及计算至少一套没有检测和忽略邻近原子对的测试和没有检测和加权邻近原子对的测试的非键合相互作用项。

前述的加速器，其中所述的邻近原子对在一个硬件加速器中被确定。

前述的加速器，其中所述的邻近原子对的列表是用一个主计算机来确定，邻近原子对的列表被传送至加速器，使用该列表配置上述的加速器用于计算邻近原子对的非键合项。

前述的加速器，其中所述的每一原子对的非键合相互作用在每一个加速器时钟周期内都被处理，其中的存储器和处理器之间的存储器带宽被用于读取分子系统中每一个所述原子对的原子数据，而不是用于读取邻近原子对的数据。

前述的加速器，其中所述的处理器不执行用于检测邻近原子对的条件测试。

前述的加速器，其中所述的处理器是一个现场可编程门阵列(FPGA)。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种在一单片可编程逻辑设备上进行分子系统的非键合和局部相互作用计算的方法，该方法包括以下步骤：配置单片可编程逻辑设备，用于一部分计算；在该单片可编程逻辑设备上执行该一部分计算；以及重新配置单片可编程逻辑设备，用于另一部分计算。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的在一单片可编程逻辑设备上进行分子系统的非键合和局部相互作用计算的方法，其进一步包括以下步骤：在单片可编程逻辑设备上执行另一部分计算；以及对计算的每一剩余部分，重复步骤a和b。

前述的加速器，其中所述的单片可编程逻辑设备是现场可编程门阵列(FPGA)，该单片可编程逻辑设备连接到一个具有配置和重新配置FPGA指令的单片承载介质。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种用于分子系统相互作用的全部计算的包括有一片经过配置的芯片的装置。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种通过重新配置芯片来计算相互作用项不同子集的用于分子系统相互作用的全部计算的包括有一片经过配置的芯片的装置。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的装置，其中所述的相互作用项子集包括能量项。

前述的装置，其中所述的相互作用项子集包括力项。

前述的装置，其中所述的相互作用项子集包括二阶导数项。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，为了达到前述发明目的，本发明的主要技术内容如下：

当测试原子间临近非键合相互作用这一步骤从内环中移走后，计算所需的带宽减小了，从而减小了非键合内环管道的规模，因此可以在芯片上安置额外的非键合内环管道来提高计算的速度。

本发明其它的方面包括在忽略临近非键合相互作用时计算非键合项的方法和装置。临近非键合相互作用是单独计算的。

那么，临近非键合能就被从系统的总能量中减去，对于每一个原子来说，临近非键合力被从原子总受力中减去。

本发明的进一方面是，通过针对相互作用项中的不同设置来重新配置芯片，实现了用单片芯片完成分子力学计算中的所有项目。配置芯片所需的时间远少于计算能量和力的时间，因此尽管重新配置消耗时间但总的处理时间仍然是非常快的。

局部部分计算需要的数值运算大概是非键合部分的四倍。因此，如果硬件资源简单地用来加速，加速局部部分计算将花费四倍的资源，但是这些硬件资源却只完成所需运算总量的1％。为避免在花费四倍的硬件而只使计算快1％，本发明采用了可重新配置的硬件。通过重新配置硬件，减少了使用的硬件但总体的计算速度仍然得到了提高。硬件主要用于计算非键合项，但也可用于加速局部项。

为了使上述提出的本发明的特性，优点以及目的更详细地被理解，前述的仅是本发明的简要说明，现请参考附图表示的和说明书描述的实施例，提出本发明一个更详细说明。然而需要说明的是，附图中描述的只是本发明的一个典型事实例，不要认为它只局限在这一范围内，因为本发明可以允许其它的等效实施例。

附图说明

图1是连接到主计算机并与本发明一个或多个方面相符合的加速器的

实施例结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的分子系统的分子力学分析的方法及装置其具体实施方式、步骤、特征及其功效，详细说明如后。

在下面的说明中，会列出许多特定的细节来使本发明被更透彻的理解。然而，熟悉本领域的技术人员会很清楚，没有这些特定细节中的一个或多个，本发明也可以实施。在其它的实例中，为避免使本发明显得晦涩，一些众所周知的特点没有描述。

例如，描述一个分子力学算法的计算步骤。这个算法在本领域内是众所周知的，例如，它可以在如后文献中找到(T.Halgren，Merck MolecularForce Field，Basis，Form，Scope，Parameterization，and Performanceof MMFF94，J.Comput.Chem.，17：490-519(1996)；T.Halgren，MMFFVI.MMFF94s Option for Energy Minimization Studies.J.Comp.Chem.20：720-729(1999)；和W.Jorgensen，D.Maxwell，and J.Tirado-Rives，Development and Testing of the OPLS All-Atom Force Field onConformational Energetics and Properties of Organic Liquids，J.Am.Chem.Soc.，118：11225-11236(1996))。然而，尽管分子相互作用可包括能量，力和二阶导数项，或独立或结合在一起，为清晰起见这里只描述了能量和力。尽管如此，对于本领域内熟手来说，同样使用二阶导数项的力项的描述也应该是很清楚的：

输入分子系统的数值数据。输入的数据包括分子系统中每个原子的x，y，z坐标，原子类型和原子的点电荷。

产生拓扑信息。拓扑信息可以通过下面的步骤产生：

给分子系统中的每个原子计算出一个与本原子相距小于给定门槛键合距离的所有其它原子列表；

给分子系统中的每个原子计算出一个与本原子相距确切等于给定门槛键合距离的所有其它原子列表；

计算出一个所有成键原子对的列表；

计算出一个所有构成键角的三原子列表；和

计算出一个所有构成扭角的四原子列表

计算出一个参数列表，包括每个键对的键参数，每个角的角参数，每个扭角的扭转参数和每个原子的范德华参数。

请参阅图1所述，主计算机10通过PCI接口11传送分子系统的数据到加速器板15，这些数据包括数值数据，小于给定阀值距离原子列表，等于给定阀值距离原子列表，所有成键原子对列表，所有构成键角的三原子列表，所有构成扭角的四原子列表。所有的这些数据可以存在加速器板15上的存储器13中。

主计算机10初始化所有分子系统能量为零。

主计算机10初始化存储器14中的所有原子的所有力为零。

主计算机10为非键合计算重新配置FPGA12。

FPGA12为每个原子增加力到存储器14。

计算完成后，主计算机10从存储器14中读取FPGA12的非键合能的计算结果。

主计算机10增加非键合能到分子系统的总能量。

主计算机10为临近非键合能计算重新配置FPGA12。

主计算机10传送范德华参数和原子集合表到存储器14。

主计算机10开始在FPGA12上的临近非键合计算。

FPGA12增加每个原子的力到存储器14。

计算完成后，主计算机10从存储器14读取FPGA12的临近非键合能的计算结果。

主计算机10从分子系统的总能量中减去临近非键合能。

主计算机10为键合能计算重新配置FPGA12。

主计算机10传送键合参数到存储器14。

主计算机10开始FPGA12上的键合能计算。

FPGA12增加每个原子的力到存储器14。

计算完成后，主计算机10从存储器14读取FPGA12的键合能的计算结果。

主计算机10增加键合能到分子系统的总能量中。

主计算机10为角能量计算重新配置FPGA12。

主计算机10传送角参数到存储器14。

主计算机10开始FPGA12上的角能量计算。

FPGA12增加每个原子的力到存储器14。

计算完成后，主计算机10从存储器14读取FPGA12的角能量的计算结果。主计算机10增加角能量到分子系统的总能量中。

主计算机10为扭转能量计算重新配置FPGA12。

主计算机10传送扭转参数到存储器14。

主计算机10开始FPGA12上的扭转能量计算。

FPGA12增加每个原子的力到存储器14。

计算完成后，主计算机10从存储器14读取FPGA12的扭转能量的计算结果。

主计算机10增加扭转能量到分子系统的总能量中。

主计算机10从存储器14中读取在所有原子上的力

类似地，其他的相互作用项也可能包括诸如非正常扭角相互作用、面外弯曲相互作用、尤里-布拉德利相互作用、角伸展弯曲相互作用，等等。

因此，非键合计算中在计算非键合项时没有忽略或加权临近原子对。这意味着在计算过程中无需检测临近原子。

例如，考虑OPLS分子力学能算法，计算原子A的静电相互作用。在OPLS中，静电作用计算中不包括与原子A一键距离内和两键距离内的原子，三键距离内的原子需被加权，加权因子为0.5。每个原子可以连接多至4个其他的原子。因此，每个原子在一键距离内有4个潜在的原子，12个两键距离内的原子，36个三键距离内的原子。因此，对于OPLS，可能存在有多至4+12＝16个不包括在非键合相互作用的原子，以及36个其非键合能需要经因子0.5加权的原子。因此，将需要多至4+12+36＝52个测试来检测或者不被包括或者需要加权的邻近原子。这些测试将会减慢硬件速度并且占据可以用于其他数值计算的空间。也即，其需要多达52个多出的内存I/O操作来取出邻近原子的测试所需数据。对于本发明，这些额外的内存I/O被避免，以至于每个管道在一个硬件时钟周期内，就可以处理一对原子的非键合能和力。

如果在一个分子系统中有n个原子，那么对于非键合项就会有n*(n-1)/2次迭代要执行，因为非键合计算对于n个原子中的每一个都要乘以其它(n-1)个原子，并且除以2(避免把每一对原子的贡献加两次)。与其为n*(n-1)/2次迭代中的每一次花费时间和空间来些测试分子系统中每个原子的临近原子，这些测试被忽略以使临近原子的相互作用贡献没有被排除和没有加权。随后，采用了附加的步骤来为临近原子修正应该在计算中被排除和加权的能量和力。

邻近原子贡献的非键合能被分开计算并且从分子系统的全部能量中减去，同时，对于每一原子非键合邻近力从该原子的力中减去。对于每个原子A，需完成，1)从A开始迭代小于给定门槛键长的原子的列表，并且计算列表上的每一个原子的非键合相互作用；以及2)从A开始迭代等于给定门槛键长的原子的列表，并且计算列表上的每一个原子加权的非键合相互作用。全部的邻近非键合能在硬件加速器上进行计算。主机读取该全部非键合能并且从分子系统的全部能量将其减去。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

权利要求书

(按照条约第19条的修改)

1、一种加速器，其用于执行分子系统的分子力学计算，其特征在于其包括：

存储器，用于存储分子系统拓扑数据和分子系统原子数据，分子系统原子数据包括原子类型、点电荷、以及分子系统中每一个原子的三维坐标；以及

处理器，其连接于存储器，处理器是一个单片集成电路，其具有被编程的可编程逻辑计算至少一个局部相互作用项和计算非键合相互作用项。

2、根据权利要求1所述的加速器，其特征在于其中所述的非键合相互作用项的计算包括：

计算至少一套仅用于邻近原子对非键合相互作用项；以及

计算至少一套没有检测和忽略邻近原子对的测试和没有检测和加权邻近原子对的测试的非键合相互作用项。

3、根据权利要求2所述的加速器，其特征在于其中所述的邻近原子对在一个硬件加速器中被确定。

4、根据权利要求2所述的加速器，其特征在于其中所述的邻近原子对的列表是用一个主计算机来确定，邻近原子对的列表被传送至加速器，使用该列表配置上述的加速器用于计算邻近原子对的非键合项。

5、根据权利要求2所述的加速器，其特征在于其中所述的每一原子对的非键合相互作用在每一个加速器时钟周期内都被处理，其中的存储器和处理器之间的存储器带宽被用于读取分子系统中每一个所述原子对的原子数据，而不是用于读取邻近原子对的数据。

6、根据权利要求1所述的加速器，其特征在于其中所述的处理器不执行用于检测邻近原子对的条件测试。

7、根据权利要求1所述的加速器，其特征在于其中所述的处理器是一个现场可编程门阵列(FPGA)。

8、一种在一单片可编程逻辑设备上计算分子系统的非键合和局部相互作用的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(a)配置单片可编程逻辑设备，用于一部分计算；

(b)在该单片可编程逻辑设备上执行该一部分计算；以及

(c)重新配置单片可编程逻辑设备，用于另一部分计算。

9、根据权利要求8所述的在一单片可编程逻辑设备上进行分子系统的非键合和局部相互作用计算的方法，其特征在于其进一步包括以下步骤：

在单片可编程逻辑设备上执行另一部分计算；以及

对计算的每一剩余部分，重复步骤a和b。

10、根据权利要求8所述的加速器，其特征在于其中所述的单片可编程逻辑设备是现场可编程门阵列(FPGA)，该单片可编程逻辑设备连接到一个具有配置和重新配置FPGA指令的单片承载介质。

11、一种用于分子系统相互作用的全部计算的包括有一片经过配置的芯片的装置。

12、一种通过重新配置芯片来计算相互作用项不同子集的用于分子系统相互作用的全部计算的包括有一片经过配置的芯片的装置。

13、根据权利要求12所述的装置，其特征在于其中所述的相互作用项子集包括能量项。

14、根据权利要求12所述的装置，其中所述的相互作用项子集包括力项。

15、根据权利要求12所述的装置，其中所述的相互作用项子集包括二阶导数项。

16、一种在一单片可编程逻辑设备上计算非键合与键合对分子系统的自由能态贡献的方法，其中该单片可编程逻辑设备与主机系统连接，其特征在于该方法包括以下步骤：

通过该可编程逻辑设备，接收主机系统产生的数字数据和拓扑数据；

配置该可编程逻辑设备进行非键合计算，并且在该配置后的可编程逻辑设备上计算非键合对于分子系统的贡献；

配置该可编程逻辑设备进行分子系统的键合计算，并且在该配置后的可编程逻辑设备上计算键合对于分子系统的贡献；

从该可编程逻辑设备向主机系统传送非键合计算和键合计算的结果。

17、根据权利要求16所述的方法，其中所述的，为分子系统产生数字数据包括：

为分子系统中的每一个原子，产生该原子在分子系统中的一套x，y，z坐标；

原子类型；以及

该原子的局部电荷。

18、根据权利要求16所述的方法，其中产生拓扑数据包括：

对于分子系统中的每一个原子，

确定距该原子特定键长内的其他原子；

确定分子系统中所有键合原子对，所有形成键角的三原子组，以及所有形成反角的四原子组。

Claims (15)

1、一种加速器，其用于执行分子系统的分子力学计算，其特征在于其包括：

存储器，用于存储分子系统拓扑数据和分子系统原子数据，分子系统原子数据包括原子类型、点电荷、以及分子系统中每一个原子的三维坐标；以及

处理器，其连接于存储器，处理器是一个单片集成电路，其具有被编程的可编程逻辑计算至少一个局部相互作用项和计算非键合相互作用项。

2、根据权利要求1所述的加速器，其特征在于其中所述的非键合相互作用项的计算包括：

计算至少一套仅用于邻近原子对非键合相互作用项；以及

计算至少一套没有检测和忽略邻近原子对的测试和没有检测和加权邻近原子对的测试的非键合相互作用项。

3、根据权利要求2所述的加速器，其特征在于其中所述的邻近原子对在一个硬件加速器中被确定。

4、根据权利要求2所述的加速器，其特征在于其中所述的邻近原子对的列表是用一个主计算机来确定，邻近原子对的列表被传送至加速器，使用该列表配置上述的加速器用于计算邻近原子对的非键合项。

5、根据权利要求2所述的加速器，其特征在于其中所述的每一原子对的非键合相互作用在每一个加速器时钟周期内都被处理，其中的存储器和处理器之间的存储器带宽被用于读取分子系统中每一个所述原子对的原子数据，而不是用于读取邻近原子对的数据。

6、根据权利要求1所述的加速器，其特征在于其中所述的处理器不执行用于检测邻近原子对的条件测试。

7、根据权利要求1所述的加速器，其特征在于其中所述的处理器是一个现场可编程门阵列(FPGA)。

8、一种在一单片可编程逻辑设备上进行分子系统的非键合和局部相互作用计算的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

配置单片可编程逻辑设备，用于一部分计算；

在该单片可编程逻辑设备上执行该一部分计算；以及

重新配置单片可编程逻辑设备，用于另一部分计算。

9、根据权利要求8所述的在一单片可编程逻辑设备上进行分子系统的非键合和局部相互作用计算的方法，其特征在于其进一步包括以下步骤：

在单片可编程逻辑设备上执行另一部分计算；以及

对计算的每一剩余部分，重复步骤a和b。

10、根据权利要求8所述的加速器，其特征在于其中所述的单片可编程逻辑设备是现场可编程门阵列(FPGA)，该单片可编程逻辑设备连接到一个具有配置和重新配置FPGA指令的单片承载介质。

11、一种用于分子系统相互作用的全部计算的包括有一片经过配置的芯片的装置。

12、一种通过重新配置芯片来计算相互作用项不同子集的用于分子系统相互作用的全部计算的包括有一片经过配置的芯片的装置。

13、根据权利要求12所述的装置，其特征在于其中所述的相互作用项子集包括能量项。

14、根据权利要求12所述的装置，其中所述的相互作用项子集包括力项。

15、根据权利要求12所述的装置，其中所述的相互作用项子集包括二阶导数项。