JP3090296B2 - 座標の差分計算装置 - Google Patents

座標の差分計算装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、多体系の粒子間相互作
用計算用に、2つの粒子の座標の差分を計算する装置に
関する。
【0002】
【従来の技術】液体や固体或いは高分子などの挙動を、
それらを構成する原子の動きの結果として考え、その動
きを計算機でシミュレーションして研究する分野は分子
動力学と呼ばれる。分子動力学では原子または分子を粒
子と考え、それらの粒子間に働く力を計算し、微小時間
後の粒子の位置を計算する。この計算を繰り返して各粒
子の軌跡を求め、その結果としての物質の性質などを計
算する。従って分子動力学では、粒子間に働く力は必ず
計算しなければならない物理量である。
【0003】或るi番目の粒子に働く力は、それ以外の
全ての粒子との間に働く力の総和である。2つの粒子間
に働く力は粒子間距離に依存するので、先ず粒子間距離
を求めなければならない。i番目の粒子の座標を
(xi ,yi ,zi )、j番目の粒子の座標を(xj
j ,zj )とすると、粒子間距離rj は rj ={(Δxj 2 +(Δyj 2 +(Δzj 2
1/2 Δxj =xj −xi Δyj =yj −yi Δzj =zj −zi である。
【0004】このような、着目するj番目の粒子の座標
からi番目の粒子の座標を引いて差分を計算するものと
しては、文献“FASTRUN:A Special
Purpose,Hardwired Compute
r for Molecular Simulatio
n”,PROTEINS:Structure,Fun
ction,and Genetics 11:242
−253(1991)に記載の差分計算装置が公知であ
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、実際の物質
は非常に多数(アボガドロ数のオーダー≒1023)個の
原子の集合なので、計算量が膨大となり、そのまま計算
機でシミュレーションすることはできない。
【0006】そこで、物質内部に図3に示すような仮想
的直方体の境界を考え、その中の粒子の動きだけを計算
することにする。直方体の各辺は次の条件を満足するよ
うに決められる。先ず、直方体内の粒子密度は、実際の
物質の粒子密度と等しくする。次に、2つの粒子間距離
が特定の値rc よりも大きい場合に、その粒子間の力を
無視できるとし、2rc <Lx ,Ly ,Lz とする。最
後に、この直方体と全く同じ物を前後左右に多数並べた
時に、実際の物質と同じになると仮定する。例えば、物
質が結晶ならば格子定数を基に各辺の長さを決める。こ
のように決めた直方体を周期的境界条件という。
【0007】周期的境界条件では、元の直方体と同等な
周囲の直方体内には、元の直方体と全く同じ配置で原子
が並んでいると仮定している。これを2次元の範囲で示
すと、図4のようになる。つまり、元の直方体のj0
子に対して、その周囲にj1〜j8 の粒子がある。ここ
で、i粒子に対するj粒子の力を計算する場合には、j
0 〜j8 のなかで、i粒子に最も近いものだけを考慮す
れば良い。何故ならば、2rc <Lx ,Ly ,Lz なの
で、j0 〜j8 の中で1つだけがrc よりも近い可能性
が有るからである。
【0008】周囲の直方体は実際は図5のように、元の
直方体の周りに26個あるので、j粒子とその26個の
鏡像の中から最もi粒子に近いものを選び、それとi粒
子との座標の差分を求めなければならない。しかし、上
記した従来の装置ではこの機能がなかったので、高速に
計算できないという欠点が有った。
【0009】そこで、この発明はj粒子とその鏡像の中
から最もi粒子に近いものを選び出し、それとi粒子と
の座標の差分を高速に算出することを課題とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、多体系の粒子
間相互作用計算用の座標の差分計算装置において、 前記
多体系に含まれる2つの粒子間に働く力を無視できる距
離に基づいてx方向の長さLx、y方向の長さLyおよ
びz軸方向の長さLzの仮想的直方体からなる周期的境
界条件を設定したとき、前記座標の差分計算装置に与え
られた前記仮想的直方体に含まれる一組の粒子の座標
(xi,yi,zi)と(xj,yj,zj)とにおけ
各軸方向の差分Δxj=xj−xi,Δyj=yj
−yi,Δzj=zj−ziをそれぞれ算出する手段
と、前記Δxj,ΔyjおよびΔzjならびに前記座標
の差分計算装置に与えられた前記Lx、LyおよびLz
に関して、Δxjが−Lx/2よりも小さい場合にはΔ
xjにLxを加え、ΔxjがLx/2よりも大きい場合
にはΔxjからLxを引くx軸方向差分計算回路と、Δ
yjが−Ly/2よりも小さい場合にはΔyjにLyを
加え、ΔyjがLy/2よりも大きい場合にはΔyjか
らLyを引くy軸方向差分計算回路と、Δzjが−Lz
/2よりも小さい場合にはΔzjにLzを加え、Δzj
がLz/2よりも大きい場合にはΔzjからLzを引く
z軸方向差分計算回路とを備えたことを特徴とする。
【0011】
【作用】直交座標系内の設定した仮想的直方体の或る軸
方向の辺の長さを示す値Lに対し、その軸方向の二つの
座標の差分が−1/2Lよりも小さいか、1/2Lより
も大きいことを検出し、差分が−1/2Lよりも小さい
場合には差分にLを加え、1/2Lよりも大きい場合に
は差分からLを引く。この演算は3軸について行われ
る。
【0012】
【実施例】以下、図面を参照しながら実施例に基づいて
本発明の特徴を具体的に説明する。
【0013】図1は、本発明の差分計算装置の第1の実
施例を示すブロック図である。図1に示すように、差分
計算装置は、i粒子の座標(xi ,yi ,zi )を保持
するレジスタ手段(図中、IX,IY,IZで示す)1
と、外部から入力D0X ,D0y ,D0z として与えら
れるj粒子の座標(xj ,yj ,zj )とi粒子の座標
の差分を計算する減算手段2と、周期的境界の一辺の長
さを保持するレジスタ手段(図中、LX,LY,LZで
示す)3と、出力D1X ,D1y ,D1z を出力する加
減算手段4と、座標の差分が周期的境界の一辺の長さの
−1/2よりも小さいか、又は1/2よりも大きいこと
を検出する比較手段5と、選択手段6とを有するもので
ある。
【0014】なお、図1ではx座標の差分と、y座標の
差分と、z座標の差分を同時に計算するので、上記手段
が3回路分用意されている。
【0015】図1に示す装置の作用をx座標について説
明する。j粒子のx座標xj は図示しない装置によっ
て、順次減算手段2のA入力に与えられる。レジスタ手
段1には、i粒子のx座標xi が図示しない装置によっ
て予め格納されており、減算手段2のB入力に与えられ
る。減算手段2ではA入力のデータからB入力のデータ
が引かれ、Δxj =xj −xi が求められる。周期的境
界条件を使わない場合には、選択手段6は常にA入力を
選び、加減算手段4は加算を行うので、出力D1xには
Δxj がそのまま得られる。
【0016】周期的境界条件を使う場合には、比較手段
5の結果によって、加減算手段4と選択手段6の機能を
表1のように切り替える。
【0017】
【表1】 これにより、Δxj が−LX /2よりも小さい場合には
Δxj にLx が加えられ、LX /2よりも大きい場合に
はΔxj からLx が引かれることになる。また、Δxj
が−LX /2とLX /2の間にある場合には、Δxj
そのまま出力される。
【0018】この処理の結果、j粒子とその鏡像の中か
らx軸方向で最もi粒子に近いものが選ばれ、その粒子
の座標との差分にΔxj が変換される。
【0019】y,z座標も全く同様に動作する。従っ
て、x軸方向、y軸方向、z軸方向全てでi粒子に最も
近いものが選ばれ、その粒子の座標との差分が求められ
る。
【0020】図2に本発明の第2の実施例を示す。な
お、第2の実施例においては、図1に示す第1の実施例
と対応する部分には同一符号を付している。第2の実施
例においては、レジスタ選択手段7を2回路用意し、減
算手段2、加減算手段4、比較手段5などを時分割使用
している。
【0021】なお、周期的境界が立方体で良い場合に
は、第1及び第2の実施例において、レジスタ手段3は
1回路分だけ用意すれば良い。また、上述の各実施例に
おいては、j粒子の座標値からi粒子の座標値を引いて
いるが、i粒子の座標値からj粒子の座標値を引いても
良い。
【0022】上述した図1や図2に示される第1及び第
2の実施例では、減算手段2のA入力にデータが入力さ
れると、或る時間後に加減算手段4の出力に結果が得ら
れる。この遅れ時間が所望の値よりも大きい場合には、
減算手段2の出力部や、比較手段5の出力部や、加減算
手段4の出力部等にラッチ手段を適宜設け、パイプライ
ン処理を行わせることもできる。
【0023】
【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
j粒子とi粒子の座標の差分が、周期的境界の一辺の長
さの−1/2よりも小さいか、又は1/2よりも大きい
ことを検出する比較手段を設け、その出力に応じて、座
標の差分に周期的境界の一辺の長さを加えるか、または
引くようにしたので、j粒子とその鏡像の中からi粒子
に最も近いものが自動的に選ばれ、その粒子の座標との
差分が高速に得られる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の第1の実施例を示す回路図であ
る。
【図2】 この発明の第2の実施例を示す回路図であ
る。
【図3】 直方体の周期的境界を表す図である。
【図4】 元の直方体と、その周囲の鏡像を2次元で表
した図である。
【図5】 元の直方体と、その周囲の鏡像を3次元で表
した図である。
【符号の説明】 1…レジスタ、2…減算器、3…レジスタ、4…加減算
器、5…比較器、6…2入力セレクタ、7…3入力セレ
クタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮川 宣明 神奈川県海老名市本郷2274番地富士ゼロ ックス株式会社内 (56)参考文献 特開 平4−270952(JP,A) 特開 平5−89157(JP,A) 生物物理 Vol.31,No.4 (1991−7−25)pp.42−46 日本物理学会誌 Vol.45,No. 11(1990−11−5)pp.812−819 天文月報 Vol.83,No.8 (1990−7−20)pp.224−226 パリティ Vol.5,No.2 (1990−2−1)pp.54−55 上田顕著「コンピュータシミュレーシ ョン」(1990−5−20)朝倉書店,p p.15−18 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G06F 17/10 G06F 17/00 JICSTファイル(JOIS)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 多体系の粒子間相互作用計算用の座標の
    差分計算装置において、 前記多体系に含まれる 2つの粒子間に働く力を無視でき
    る距離に基づいてx方向の長さLx、y方向の長さLy
    およびz軸方向の長さLzの仮想的直方体からなる周期
    的境界条件を設定したとき前記座標の差分計算装置に与えられた前記仮想的直方体
    に含まれる 一組の粒子の座標(xi,yi,zi)と
    (xj,yj,zj)とにおける各軸方向の差分Δx
    j=xj−xi,Δyj=yj−yi,Δzj=zj−
    ziをそれぞれ算出する手段と、前記Δxj,ΔyjおよびΔzjならびに前記座標の差
    分計算装置に与えられた前記Lx,LyおよびLzに関
    して、 Δxjが−Lx/2よりも小さい場合にはΔxj
    にLxを加え、ΔxjがLx/2よりも大きい場合には
    ΔxjからLxを引くx軸方向差分計算回路と、Δyj
    が−Ly/2よりも小さい場合にはΔyjにLyを加
    え、ΔyjがLy/2よりも大きい場合にはΔyjから
    Lyを引くy軸方向差分計算回路と、Δzjが−Lz/
    2よりも小さい場合にはΔzjにLzを加え、Δzjが
    Lz/2よりも大きい場合にはΔzjからLzを引くz
    軸方向差分計算回路と、を備えたことを特徴とする座標
    の差分計算装置
  2. 【請求項2】 前記x軸方向差分計算回路、y軸方向差
    分計算回路及びz軸方向差分計算回路が、それぞれ同時
    に計算を行う独立した三つの回路として設けられている
    ことを特徴とする請求項1記載の座標の差分計算装置
  3. 【請求項3】 前記x軸方向差分計算回路、y軸方向差
    分計算回路及びZ軸方向差分計算回路が、順次時分割的
    に計算を行う一つの回路として設けられていることを特
    徴とする請求項1記載の座標の差分計算装置。
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天文月報 Vol.83,No.8(1990−7−20)pp.224−226
日本物理学会誌 Vol.45,No.11(1990−11−5)pp.812−819
生物物理 Vol.31,No.4(1991−7−25)pp.42−46

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