JP3090296B2 - 座標の差分計算装置 - Google Patents
座標の差分計算装置Info
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Description
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。
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。
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 ,
yj ,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。
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。
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。
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。
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 粒
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。
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。
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。
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。
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。
本発明の特徴を具体的に説明する。
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。
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。
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。
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。
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 が
そのまま出力される。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
る。
る。
した図である。
した図である。
器、5…比較器、6…2入力セレクタ、7…3入力セレ
クタ
Claims (3)
- 【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。 - 【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。 - 【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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Applications Claiming Priority (1)
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-
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- 1992-12-04 JP JP32568292A patent/JP3090296B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (5)
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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,pp.15−18 |
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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