JP5012560B2 - Multi-body problem calculation device and multi-body problem calculation method - Google Patents

Multi-body problem calculation device and multi-body problem calculation method Download PDF

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Description

本発明は、分子動力学法における力またはポテンシャルの計算を効率よく扱うための多体問題用計算装置、及び、多体問題用計算方法に関する。   The present invention relates to a multibody problem calculation apparatus and a multibody problem calculation method for efficiently handling force or potential calculations in molecular dynamics.

液体、固体、高分子などの挙動を、それらを構成する原子あるいは分子の動きの結果と考え、その動きを計算機でシミュレーションする分子動力学法が知られている。互いに相互作用する多数の粒子からなる系を扱う問題を多体問題といい、分子動力学では原子や分子を粒子とした多体問題の計算を行っている。   A molecular dynamics method is known in which the behavior of a liquid, solid, polymer, etc. is considered as a result of the movement of atoms or molecules constituting them, and the movement is simulated by a computer. The problem of dealing with a system consisting of many particles interacting with each other is called a many-body problem, and molecular dynamics calculates many-body problems with atoms and molecules as particles.

分子動力学法などの多体問題の計算では、複数の粒子からなる系の特定粒子に働く力またはポテンシャルを、系に含まれるそれ以外の全ての粒子との間に働く力またはポテンシャルの総和として計算しなければならない。また、系に含まれる全ての粒子について計算を行わなければならないため、計算量は膨大になる。   In the calculation of many-body problems such as molecular dynamics, the force or potential acting on a specific particle in a system consisting of multiple particles is taken as the sum of the forces or potentials acting on all other particles in the system. Must be calculated. In addition, since all the particles included in the system must be calculated, the calculation amount is enormous.

そこで、特許文献１及び２に記載の多体問題用計算装置では、要求される計算精度に応じて適当なカットオフ距離ｒｃを定め、特定粒子との距離ｒがカットオフ距離ｒｃ以下である粒子についてのみ、力またはポテンシャルを計算することにより、計算量を抑制している。このような手法をカットオフと呼ぶ。   Therefore, in the multi-body problem calculation apparatus described in Patent Documents 1 and 2, an appropriate cutoff distance rc is determined according to the required calculation accuracy, and the distance r with the specific particle is equal to or less than the cutoff distance rc. For only, the amount of calculation is suppressed by calculating the force or potential. Such a method is called cut-off.

図４はカットオフを説明するための図である。図４中の黒点および白点は粒子を示し、あるｉ番目の特定粒子との距離ｒがカットオフ距離ｒｃ以内の粒子を黒点で示し、それ以外の粒子を白点で示す。黒点で示した粒子のみが、ｉ番目の特定粒子の計算対象となる。
特開平６−２３１１１４号公報 特開平８−２８５７５７号公報 FIG. 4 is a diagram for explaining the cutoff. In FIG. 4, black points and white points indicate particles, particles whose distance r from a certain i-th specific particle is within the cutoff distance rc are indicated by black points, and other particles are indicated by white points. Only the particles indicated by black dots are subject to calculation of the i-th specific particle.
JP-A-6-231114 JP-A-8-285757

しかしながら、特許文献１及び２に開示されている構成では、粒子間距離でカットオフを行うと、共有結合で結合された一方の粒子を計算し、他方を計算しないというようなことが起きる。例えば、双極子は正負の同じ大きさの電荷を持つ粒子で構成され、その総電荷は０であり、双極子から特定粒子に働く力は小さい。しかし、双極子を形成している粒子対の片方の粒子のみが計算対象となった場合、双極子から特定粒子には大きな力が働くように計算されるため、エネルギの変動が大きくなり、計算が不安定になる問題がある。従って、分子動力学法における力またはポテンシャルの計算を効率よく扱うための好適な新たな方法が求められている。   However, in the configurations disclosed in Patent Documents 1 and 2, when cut-off is performed based on the distance between particles, one particle bonded by a covalent bond is calculated and the other is not calculated. For example, a dipole is composed of particles having positive and negative charges of the same magnitude, the total charge is 0, and the force acting on a specific particle from the dipole is small. However, when only one particle of a particle pair that forms a dipole is subject to calculation, the calculation is such that a large force acts on the specific particle from the dipole, so the fluctuation in energy increases and the calculation There is a problem that becomes unstable. Accordingly, there is a need for a new suitable method for efficiently handling force or potential calculations in molecular dynamics methods.

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、分子動力学法における力またはポテンシャルの計算を効率よく扱うための多体問題用計算装置、及び、多体問題用計算方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and provides a calculation device for a many-body problem and a calculation method for a many-body problem for efficiently handling the calculation of force or potential in the molecular dynamics method. With the goal.

上記の目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る多体問題用計算装置は、
複数の粒子からなる系の特定粒子に働く力又はポテンシャルを計算する多体問題用計算装置において、
前記特定粒子が属する残基の重心座標と前記特定粒子が属する残基以外の他の残基の重心座標との距離とカットオフ距離とを比較し、当該距離が当該カットオフ距離より短い場合、当該他の残基に属するすべての粒子を対象粒子とするカットオフ手段と、
前記特定粒子に対応するアドレスを順次供給する第１のアドレス手段と、
前記第１のアドレス手段が供給した前記特定粒子に働く力又はポテンシャルの計算対象となる前記対象粒子に対応するアドレスを順次供給する第２のアドレス手段と、
前記第２のアドレス手段が供給した前記対象粒子に対応するアドレスに基づき、前記対象粒子を含む粒子に対応するアドレスを順次供給する第３のアドレス手段と、
前記第１のアドレス手段が供給した前記特定粒子に対応するアドレスに基づき、前記特定粒子を含む粒子に対応するアドレスを順次供給する第４のアドレス手段と、
前記第３のアドレス手段が供給した前記対象粒子の座標と、前記第４のアドレス手段が供給した前記特定粒子の座標と、を記憶する座標記憶手段と、
前記座標記憶手段に記憶された前記特定粒子の座標と前記対象粒子の座標とに基づいて、前記特定粒子と前記対象粒子との距離を計算する距離計算手段と、
前記距離計算手段により計算された前記距離に基づいて、前記特定粒子に働く力又はポテンシャルを計算する力計算手段と、を備える。 In order to achieve the above object, a multibody problem computing device according to the first aspect of the present invention provides:
In the calculation device for many-body problems that calculates the force or potential acting on specific particles of a system consisting of multiple particles,
When the distance between the centroid coordinates of the residue to which the specific particle belongs and the centroid coordinates of other residues other than the residue to which the specific particle belongs are compared with the cutoff distance, and the distance is shorter than the cutoff distance, Cut-off means for setting all particles belonging to the other residue as target particles,
First address means for sequentially supplying addresses corresponding to the specific particles;
And second address means sequentially supplies the address of the first address means corresponding to said target particles become a calculation target of the force or potential acting on the specific particles supplied,
Third address means for sequentially supplying addresses corresponding to the particles containing the target particles based on the addresses corresponding to the target particles supplied by the second address means;
Fourth address means for sequentially supplying addresses corresponding to the particles containing the specific particles based on the addresses corresponding to the specific particles supplied by the first address means;
Coordinate storage means for storing the coordinates of the target particles supplied by the third address means and the coordinates of the specific particles supplied by the fourth address means;
Distance calculating means for calculating a distance between the specific particles and the target particles based on the coordinates of the specific particles and the coordinates of the target particles stored in the coordinate storage means;
Force calculating means for calculating a force or potential acting on the specific particle based on the distance calculated by the distance calculating means.

上記の目的を達成するため、本発明の第２の観点に係る多体問題用計算方法は、
カットオフ部と、第１のアドレス部と、第２のアドレス部と、第３のアドレス部と、第４のアドレス部と、座標記憶部と、距離計算部と、力計算部と、を有する複数の粒子からなる系の特定粒子に働く力又はポテンシャルを計算する多体問題用計算装置が実行する多体問題用計算方法であって、
前記カットオフ部が、前記特定粒子が属する残基の重心座標と前記特定粒子が属する残基以外の他の残基の重心座標との距離とカットオフ距離とを比較し、当該距離が当該カットオフ距離より短い場合、当該他の残基に属するすべての粒子を対象粒子とするカットオフ工程と、
前記第１のアドレス部が、前記特定粒子に対応するアドレスを順次供給する第１のアドレス工程と、
前記第２のアドレス部が、前記第１のアドレス部が供給した前記特定粒子に働く力又はポテンシャルの計算対象となる前記対象粒子に対応するアドレスを順次供給する第２のアドレス工程と、
前記第３のアドレス部が、前記第２のアドレス部が供給した前記対象粒子に対応するアドレスに基づき、前記対象粒子を含む粒子に対応するアドレスを順次供給する第３のアドレス工程と、
前記第４のアドレス部が、前記第１のアドレス部が供給した前記特定粒子に対応するアドレスに基づき、前記特定粒子を含む粒子に対応するアドレスを順次供給する第４のアドレス工程と、を備え、
前記座標記憶部には、前記第３のアドレス部が供給した前記対象粒子の座標と、前記第４のアドレス部が供給した前記特定粒子の座標と、が記憶され、
前記多体問題用計算方法は、
前記距離計算部が、前記座標記憶部に記憶された前記特定粒子の座標と前記対象粒子の座標とに基づいて、前記特定粒子と前記対象粒子との距離を計算する距離計算工程と、
前記力計算部が、前記距離計算部により計算された前記距離に基づいて、前記特定粒子に働く力又はポテンシャルを計算する力計算工程と、を備える。 In order to achieve the above object, a calculation method for a many-body problem according to the second aspect of the present invention is:
A cut-off unit, a first address unit, a second address unit, a third address unit, a fourth address unit, a coordinate storage unit, a distance calculation unit, and a force calculation unit; A calculation method for a many-body problem executed by a calculation device for a many-body problem that calculates a force or potential acting on a specific particle of a system composed of a plurality of particles,
The cut-off unit compares a cutoff distance with a distance between a centroid coordinate of a residue to which the specific particle belongs and a centroid coordinate of a residue other than the residue to which the specific particle belongs, and the distance is the cut-off distance When shorter than the off-distance, a cut-off process with all particles belonging to the other residue as target particles,
A first address process in which the first address unit sequentially supplies addresses corresponding to the specific particles;
It said second address portions, said first address portion acts on the specific particles supplied force or potential calculation subject to the subject sequentially supplies second addresses corresponding to particles of address step,
A third address step in which the third address portion sequentially supplies addresses corresponding to the particles including the target particles based on the addresses corresponding to the target particles supplied by the second address portion;
It said fourth address portion, based on the address corresponding to the specific particles, wherein the first address portion is supplied, and a fourth address step sequentially supplies the address corresponding to the particles containing the specific particles ,
The coordinate storage unit stores the coordinates of the target particles supplied by the third address unit and the coordinates of the specific particles supplied by the fourth address unit,
The calculation method for the many-body problem is:
The distance calculation unit calculates a distance between the specific particles and the target particles based on the coordinates of the specific particles and the coordinates of the target particles stored in the coordinate storage unit;
The force calculation unit includes a force calculation step of calculating a force or potential acting on the specific particle based on the distance calculated by the distance calculation unit.

本発明によれば、分子動力学法における力またはポテンシャルの計算を効率よく扱うことができる。   According to the present invention, calculation of force or potential in the molecular dynamics method can be handled efficiently.

以下では、本発明の多体問題用計算装置の実施形態の一つについて説明するが、当該実施形態は本発明の原理の理解を容易にするためのものであり、本発明の範囲は、下記の実施形態に限られるものではなく、当業者が以下の実施形態の構成を適宜置換した他の実施形態も、本発明の範囲に含まれる。   In the following, one embodiment of the computing device for many-body problem of the present invention will be described. However, the embodiment is for facilitating understanding of the principle of the present invention, and the scope of the present invention is as follows. The present invention is not limited to this embodiment, and other embodiments in which a person skilled in the art appropriately replaces the configurations of the following embodiments are also included in the scope of the present invention.

まず、ある特定粒子が属する残基の重心座標と、それ以外の粒子が属する残基の重心座標との距離がカットオフ距離以内であれば、その残基に属する粒子をすべて計算対象とする、残基ベースカットオフ手法について、図５を参照して説明する。   First, if the distance between the centroid coordinates of the residue to which a particular particle belongs and the centroid coordinates of the residue to which other particles belong is within the cutoff distance, all particles belonging to that residue are subject to calculation. The residue-based cutoff method will be described with reference to FIG.

図５中の黒点および白点は粒子を示し、破線に囲まれた粒子により残基が構成される。図中の×印はそれぞれの残基の重心を示している。例えば、特定粒子であるｉ粒子が属する残基Ａの重心から残基Ｂの重心までの距離は、カットオフ距離ｒｃ以内であるため、残基Ｂに属する全ての粒子がｉ粒子に対して計算対象となる。一方、残基Ａの重心から残基Ｃの重心までの距離は、カットオフ距離ｒｃ以上であるため、残基Ｃに属する全ての粒子がｉ粒子に対して計算対象外となる。双極子や残基を構成する全ての粒子を計算対象とすることにより、エネルギ変動は小さくなり、計算が安定する。
なお、図５の×印は、残基の重心に限られず、特定された一部の粒子の重心、粒子の外殻の中心、特定された粒子の位置等、任意に決定することができる。従って、カットオフ距離ｒｃは、残基間の重心距離に限られず、外殻距離等、任意である。 Black dots and white dots in FIG. 5 indicate particles, and residues are constituted by particles surrounded by a broken line. The x mark in the figure indicates the center of gravity of each residue. For example, since the distance from the centroid of residue A to the centroid of residue B to which the i particle that is the specific particle belongs is within the cutoff distance rc, all particles belonging to residue B are calculated for the i particle. It becomes a target. On the other hand, since the distance from the centroid of residue A to the centroid of residue C is equal to or greater than the cutoff distance rc, all particles belonging to residue C are excluded from calculation with respect to i particles. By making all particles composing dipoles and residues a target of calculation, energy fluctuation is reduced and the calculation is stabilized.
5 is not limited to the center of gravity of the residue, but can be arbitrarily determined such as the center of gravity of the specified part of the particles, the center of the outer shell of the particle, and the position of the specified particle. Therefore, the cut-off distance rc is not limited to the center-of-gravity distance between residues, and is arbitrary such as the outer shell distance.

次に、本実施形態に係る多体問題用計算装置について図１を参照して説明する。本発明は、複数の粒子からなる系の特定粒子に働く力またはポテンシャルを計算する多体問題用計算装置において、粒子が属する残基（たんぱく質を構成するアミノ酸）の重心座標の距離がカットオフ距離内にある粒子のペアにおいてのみ、力またはポテンシャルを計算する構成を有している。   Next, the multibody problem computing apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The present invention relates to a multibody problem calculation apparatus for calculating a force or potential acting on a specific particle of a system composed of a plurality of particles, wherein the distance of the barycentric coordinate of the residue to which the particle belongs (amino acid constituting the protein) is a cutoff distance. It has a configuration for calculating force or potential only in a pair of particles inside.

多体問題用計算装置１００は、第１のアドレス手段１と、Ｉ残基記憶手段２と、第２のアドレス手段３と、Ｊ残基記憶手段４と、第３のアドレス手段５と、第４のアドレス手段６と、アドレス選択手段７と、座標記憶手段８と、Ｉ粒子座標記憶手段９と、距離計算手段１０と、力計算手段１１と、を備える。   The multi-body problem computing device 100 includes a first address means 1, an I residue storage means 2, a second address means 3, a J residue storage means 4, a third address means 5, 4 address means 6, address selection means 7, coordinate storage means 8, I particle coordinate storage means 9, distance calculation means 10, and force calculation means 11.

第１のアドレス手段１は、後述するＩ残基記憶手段２のアドレスを指定する。第１のアドレス手段１には、あらかじめＩ残基記憶手段２の先頭を示すアドレスが図示しない装置により書き込まれている。第１のアドレス手段１は、後述する第４のアドレス手段６からのインクリメント指示によりアドレスをインクリメントする。
第１のアドレス手段１は、例えば、アップカウンタで構成され、そのアドレスがクロックパルス毎に１だけインクリメントすることにより、ｊ粒子が順次計算される。系内の全てのｊ粒子について計算が終われば、第１のアドレス手段１は、最初のｊ粒子のアドレスを設定し、そのアドレスを１だけインクリメントする指示を渡し、次のｉ粒子について計算する。 The first address means 1 designates the address of the I residue storage means 2 described later. In the first address means 1, an address indicating the head of the I residue storage means 2 is written in advance by a device (not shown). The first address means 1 increments the address in accordance with an increment instruction from the fourth address means 6 described later.
The first address means 1 is constituted by, for example, an up counter, and j particles are sequentially calculated by incrementing the address by 1 for each clock pulse. When the calculation is completed for all j particles in the system, the first address means 1 sets the address of the first j particle, passes an instruction to increment the address by 1, and calculates for the next i particle.

Ｉ残基記憶手段２は、特定の粒子であるＩ粒子を含む残基であるＩ残基の情報を記憶する。Ｉ残基記憶手段２には、当該Ｉ残基の情報があらかじめ書き込まれている。ここで、Ｉ残基の情報とは、後述する座標記憶手段８においてＩ残基に含まれる最初の粒子の座標が書き込まれているアドレスＩＡＤと、Ｉ残基に含まれる粒子の数ＩＮと、Ｊ残基記憶手段４においてＩ残基の計算対象となる最初のＪ残基の情報が書き込まれているアドレスＲＡＤと、Ｉ残基の計算対象となるＪ残基の数ＲＮと、である。   The I residue storage means 2 stores information on I residues that are residues including I particles that are specific particles. In the I residue storage means 2, information on the I residue is written in advance. Here, the information on the I residue includes the address IAD in which the coordinates of the first particle included in the I residue are written in the coordinate storage unit 8 described later, the number IN of the particles included in the I residue, The address RAD in which the information of the first J residue to be calculated for the I residue in the J residue storage means 4 is written, and the number RN of the J residues to be calculated for the I residue.

第２のアドレス手段３は、例えば、アップカウンタで構成されており、毎クロックインクリメントする。また、第２のアドレス手段３は、後述するＪ残基記憶手段４のアドレスを指定する。第２のアドレス手段３には、Ｉ残記憶手段２に記憶されているアドレスＲＡＤが書き込まれ、後述する第３のアドレス手段５からのインクリメント指示によりアドレスをインクリメントする。Ｉ残記憶手段２に記憶されているＪ残基の数ＲＮだけインクリメントすると、第４のアドレス手段６にインクリメント指示を渡す。   The second address means 3 is composed of, for example, an up counter and increments every clock. The second address means 3 designates the address of the J residue storage means 4 described later. In the second address means 3, the address RAD stored in the I remaining storage means 2 is written, and the address is incremented by an increment instruction from the third address means 5 described later. When the number of J residues RN stored in the I remaining storage means 2 is incremented, an increment instruction is passed to the fourth address means 6.

Ｊ残基記憶手段４には、Ｉ残基の計算対象となる全てのＪ残基の情報があらかじめ書き込まれている。ここで、Ｊ残基の情報とは、座標記憶手段８においてＪ残基に含まれる最初の粒子の座標が書き込まれているアドレスＪＡＤと、Ｊ残基に含まれる粒子の数ＪＮと、である。
また、Ｊ残基記憶手段４には、Ｉ残基について、アドレスＲＡＤにより指定されるアドレスから、Ｊ残基の数ＲＮだけのＪ残基の情報が、Ｊ残基記憶手段４に書き込まれている。
さらに、全てのＩ残基について、同様にＪ残基の情報がＪ残基記憶手段４に書き込まれている。 In the J residue storage means 4, information on all J residues to be calculated for I residues is written in advance. Here, the information on the J residue is the address JAD in which the coordinates of the first particle included in the J residue are written in the coordinate storage means 8, and the number JN of the particles included in the J residue. .
In addition, information on J residues corresponding to the number RN of J residues from the address specified by the address RAD is written to the J residue storage unit 4 for the I residue. Yes.
Further, for all I residues, information on J residues is written in the J residue storage means 4 in the same manner.

第３のアドレス手段５は、例えば、アップカウンタで構成されており、毎クロックインクリメントする。また、第３のアドレス手段５は、座標記憶手段８のアドレスを指定する。第３のアドレス手段５には、Ｊ残記憶手段４に記憶されているアドレスＪＡＤが書き込まれる。第３のアドレス手段５は、Ｊ残記憶手段４に記憶されているＪ残基に含まれる粒子の数ＪＮだけインクリメントすると、第２のアドレス手段３にインクリメント指示を渡す。   The third address means 5 is composed of, for example, an up counter and increments every clock. The third address means 5 designates the address of the coordinate storage means 8. In the third address means 5, the address JAD stored in the J remaining storage means 4 is written. When the third address means 5 increments the number JN of particles contained in the J residue stored in the J remaining storage means 4, the third address means 5 gives an increment instruction to the second address means 3.

第４のアドレス手段６は、例えば、アップカウンタで構成されており、毎クロックインクリメントする。また、第４のアドレス手段６は、座標記憶手段８のアドレスを指定する。第４のアドレス手段６には、Ｉ残記憶手段２に記憶されているアドレスＩＡＤが書き込まれ、第２のアドレス手段３からのインクリメント指示によりインクリメントする。Ｉ残記憶手段２に記憶されているＩ残基に含まれる粒子の数ＩＮだけインクリメントすると、第１のアドレス手段１にインクリメント指示を渡す。   The fourth address means 6 is constituted by an up counter, for example, and increments every clock. The fourth address means 6 designates the address of the coordinate storage means 8. The fourth address means 6 is written with the address IAD stored in the I remaining storage means 2 and is incremented by an increment instruction from the second address means 3. When the number of particles IN included in the I residue stored in the I remaining storage means 2 is incremented, an increment instruction is passed to the first address means 1.

アドレス選択手段７は、第３のアドレス手段５及び第４のアドレス手段６からアドレスを選択する。また、アドレス選択手段７は、粒子のアドレス情報を座標記憶部手段８に渡す。   The address selection means 7 selects an address from the third address means 5 and the fourth address means 6. Further, the address selection means 7 passes the address information of the particles to the coordinate storage section means 8.

座標記憶手段８は、粒子の座標を記憶する。座標記憶手段８には、粒子の座標（ｘ軸座標、ｙ軸座標、ｚ軸座標）、系内の粒子が属する残基の重心の座標等、力の計算に必要な情報が、図示しない装置によって、あらかじめ書き込まれている。ある残基に含まれる粒子の座標は連続したアドレスに書き込まれている。   The coordinate storage unit 8 stores the coordinates of the particles. In the coordinate storage means 8, information necessary for force calculation, such as the coordinates of the particles (x-axis coordinates, y-axis coordinates, z-axis coordinates) and the coordinates of the center of gravity of the residue to which the particles in the system belong, are not shown. Is written in advance. The coordinates of particles contained in a certain residue are written at consecutive addresses.

Ｉ粒子座標記憶手段９は、特定の粒子であるＩ粒子の座標を記憶する。Ｉ粒子座標記憶手段９には外部装置（図示せず）が接続されており、当該外部装置はＩ粒子座標記憶手段９に記憶された情報を読み書きすることができる。   The I particle coordinate storage means 9 stores the coordinates of I particles that are specific particles. An external device (not shown) is connected to the I particle coordinate storage unit 9, and the external device can read and write information stored in the I particle coordinate storage unit 9.

距離計算手段１０は、粒子の距離を計算する。また、距離計算手段１０は、当該計算結果を力計算手段１１に渡す。ｉ粒子の座標（ｘｉ、ｙｉ、ｚｉ）とｊ粒子の座標（ｘｊ、ｙｊ、ｚｊ）との粒子間距離ｒは、例えば、数１により計算される。
（数１）
ｒ＝｛（ｘｊ−ｘｉ）２＋（ｙｊ−ｙｉ）２＋（ｚｊ−ｚｉ）２｝１／２ The distance calculation means 10 calculates the distance of the particles. The distance calculation means 10 passes the calculation result to the force calculation means 11. The interparticle distance r between the coordinates (x i , y i , z i ) of the i particles and the coordinates (x j , y j , z j ) of the j particles is calculated by, for example, Equation 1.
(Equation 1)
r = {(x j −x i ) 2 + (y j −y i ) 2 + (z j −z i ) 2 } 1/2

力計算手段１１は、粒子の距離から特定粒子における物理量（例えば、クーロン力、クーロンポテンシャル、ファンデルワールス力）を計算する。   The force calculation means 11 calculates a physical quantity (for example, Coulomb force, Coulomb potential, van der Waals force) in a specific particle from the distance of the particle.

次に、本実施形態に係る多体問題用計算装置１００の動作について、図３を参照して説明する。   Next, the operation of the multibody problem calculation apparatus 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

第１のアドレス手段１がＩ残基記憶手段２に記憶されたアドレスを指定すると、Ｉ残基（例えば、Ｉ１残基）のアドレスＩＡＤとＩ１残基の粒子数ＩＮとが第４のアドレス手段６にセットされる。また、Ｉ１残基の計算対象となるＪ残基（例えば、Ｊ１残基）のアドレスＲＡＤとＪ１残基の数ＲＮとが第２のアドレス手段３にセットされる（ステップＳ１１）。 When the first address means 1 designates the address stored in the I residue storage unit 2, I residues (e.g., I 1 residues) address IAD and I 1 residues particle number IN and the fourth of The address means 6 is set. Further, the address RAD of the J residue (for example, J 1 residue) and the number RN of J 1 residues to be calculated for I 1 residue are set in the second address means 3 (step S11).

第４のアドレス手段６にセットされたアドレスに対応する座標記憶手段８が記憶するアドレスからＩ粒子（例えば、Ｉ１粒子）の座標が読み出され、当該Ｉ１粒子の座標がＩ粒子座標記憶手段９にセットされる（ステップＳ１２）。なお、アドレス選択手段７により、第３のアドレス手段５及び第４のアドレス手段６からアドレスが適宜選択される。 The coordinates of the I particle (for example, I 1 particle) are read out from the address stored in the coordinate storage unit 8 corresponding to the address set in the fourth address unit 6, and the coordinates of the I 1 particle are stored in the I particle coordinate storage. It is set in the means 9 (step S12). The address selection means 7 appropriately selects an address from the third address means 5 and the fourth address means 6.

第２のアドレス手段３にセットされたアドレスに対応するＪ残基記憶手段４が記憶するアドレスから、Ｊ１残基のアドレスＪＡＤとＪ１残基の粒子数ＪＮとが第３のアドレス手段５にセットされる（ステップＳ１３）。 From the address J residue storage means 4 corresponding to the set address in the second address means 3 stores, J 1 residue address JAD and J 1 residue and particle number JN the third address means 5 (Step S13).

第３のアドレス手段５にセットされたアドレスに対応する座標記憶手段８が記憶するアドレスから、Ｊ粒子（例えば、Ｊ１粒子）の座標が読み出される。ここで、Ｉ残記憶手段２には、Ｉ残基に含まれる最初の粒子の座標が書き込まれているアドレスＩＡＤとＩ残基に含まれる粒子の数ＩＮとが記憶されている。また、Ｊ残基記憶手段４には、Ｊ残基に含まれる最初の粒子の座標が書き込まれているアドレスＪＡＤとＪ残基に含まれる粒子の数ＪＮとが記憶されている。このため、座標記憶手段８には、図２に示すように、Ｉ残基記憶手段２に記憶されたＩ残基に含まれる粒子の座標（ｘ、ｙ、ｚ）と、Ｊ残基記憶手段４に記憶されたＪ残基に含まれる粒子の座標（ｘ、ｙ、ｚ）とが記憶される。距離計算手段１０では、Ｉ１粒子の座標とＪ１粒子の座標からＩ１粒子とＪ１粒子との距離が計算され、当該計算結果に基づいて力計算手段１１で力（例えば、クーロン力）が計算される（ステップＳ１４）。 From the address coordinate storage unit 8 corresponding to the third address set means 5 address is stored, J particles (e.g., J 1 particles) coordinates are read out. Here, the I remaining storage means 2 stores the address IAD in which the coordinates of the first particle included in the I residue are written and the number IN of the particles included in the I residue. The J residue storage means 4 stores an address JAD in which the coordinates of the first particle included in the J residue are written and the number JN of particles included in the J residue. Therefore, in the coordinate storage means 8, as shown in FIG. 2, the coordinates (x, y, z) of the particles contained in the I residue stored in the I residue storage means 2, and the J residue storage means The coordinates (x, y, z) of the particles included in the J residue stored in 4 are stored. The distance calculation means 10 calculates the distance between the I 1 particles and the J 1 particles from the coordinates of the I 1 particles and the coordinates of the J 1 particles, and the force calculation means 11 calculates a force (for example, Coulomb force) based on the calculation result. Is calculated (step S14).

次に、第３のアドレス手段５にセットされたアドレス情報が順次インクリメントされ、Ｉ粒子座標記憶手段９に記憶されているＩ１粒子と、Ｊ１残基に含まれるＪ粒子（例えば、Ｊ２粒子）と、の間に働く力が順次計算される（ステップＳ１５）。 Next, the address information set to the third address means 5 is sequentially incremented, and I 1 particles stored in the I particles coordinate storage unit 9, J particles contained in the J 1 residue (e.g., J 2 The force acting between the particles is sequentially calculated (step S15).

次に、第３のアドレス手段５にセットされたＪ１残基の粒子数ＪＮだけインクリメントされ、当該インクリメント指示が第２のアドレス手段３に出されることにより、Ｉ１粒子と、次のＪ残基（例えば、Ｊ２残基）に含まれるＪ粒子と、の間に働く力が計算される（ステップＳ１６）。 Next, it is incremented by the number of particles JN of J 1 residue which is set in the third address means 5, by which the increment instruction is issued to the second address unit 3, and I 1 particles, the following J residual The force acting between the J particles contained in the group (for example, J 2 residue) is calculated (step S16).

第２のアドレス手段３によりＪ１残基の数ＲＮだけインクリメントされると、
ステップＳ１１でセットされたＪ１残基のアドレスＲＡＤに戻り、第４のアドレス手段６にインクリメント指示が出される。これにより、Ｉ１残基に含まれる次のＩ粒子（例えば、Ｉ２粒子）と、Ｊ１残基に含まれるＪ１粒子と、の間に働く力が計算される（ステップＳ１７）。 Once incremented by the number RN of J 1 residues by the second addressing means 3,
Returning to address RAD of the set J 1 residues at step S11, the increment instruction is issued to the fourth addressing means 6. Thereby, the force acting between the next I particle (for example, I 2 particle) included in the I 1 residue and the J 1 particle included in the J 1 residue is calculated (step S17).

第４のアドレス手段６によりＩ１残基の粒子数ＩＮだけインクリメントされると、第１のアドレス手段１にインクリメント指示が出される。これにより、次のＩ残基（例えば、Ｉ２残基）に含まれる粒子と、Ｊ１残基に含まれる粒子と、の間に働く力が計算される（ステップＳ１８）。 When the fourth address means 6 increments by the number of particles IN of I 1 residue, an increment instruction is issued to the first address means 1. Thus, the next I residues (e.g., I 2 residues) force acting the particles contained in the particles contained in J 1 residues, between are calculated (step S18).

以上の処理を繰り返すことにより、すべてのＩ残基に含まれる粒子と、すべてのＪ残基に含まれる粒子と、の間に働く力が容易に計算される。   By repeating the above processing, the force acting between the particles included in all I residues and the particles included in all J residues can be easily calculated.

以上説明したように、本発明によれば、残基ベースカットオフ手法を用いて、双極子や残基を構成する全ての粒子を計算対象とすることにより、エネルギ変動は小さくなり、計算が安定する。また、分子動力学法における力またはポテンシャルの計算を効率よく扱うことができる。   As described above, according to the present invention, by using the residue-based cut-off method, all particles constituting a dipole or residue are targeted for calculation, so that energy fluctuation is reduced and the calculation is stable. To do. In addition, calculation of force or potential in the molecular dynamics method can be handled efficiently.

本発明の実施の形態に係る多体問題用計算装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the calculation apparatus for many-body problems which concerns on embodiment of this invention. アドレス情報の遷移を説明する図である。It is a figure explaining the transition of address information. 多体問題用計算装置の動作を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining operation | movement of the calculation apparatus for many-body problems. カットオフを説明する図である。It is a figure explaining cut-off. 残基ベースカットオフを説明する図である。It is a figure explaining a residue base cutoff.

符号の説明Explanation of symbols

１００ 多体問題用計算装置
１ 第１のアドレス手段
２ Ｉ残基記憶手段
３ 第２のアドレス手段
４ Ｊ残基記憶手段
５ 第３のアドレス手段
６ 第４のアドレス手段
７ アドレス選択手段
８ 座標記憶手段
９ Ｉ粒子座標記憶手段
１０ 距離計算手段
１１ 力計算手段 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Multi-body problem computing device 1 First address means 2 I residue storage means 3 Second address means 4 J residue storage means 5 Third address means 6 Fourth address means 7 Address selection means 8 Coordinate storage Means 9 I particle coordinate storage means 10 Distance calculation means 11 Force calculation means

Claims (5)

複数の粒子からなる系の特定粒子に働く力又はポテンシャルを計算する多体問題用計算装置において、
前記特定粒子が属する残基の重心座標と前記特定粒子が属する残基以外の他の残基の重心座標との距離とカットオフ距離とを比較し、当該距離が当該カットオフ距離より短い場合、当該他の残基に属するすべての粒子を対象粒子とするカットオフ手段と、
前記特定粒子に対応するアドレスを順次供給する第１のアドレス手段と、
前記第１のアドレス手段が供給した前記特定粒子に働く力又はポテンシャルの計算対象となる前記対象粒子に対応するアドレスを順次供給する第２のアドレス手段と、
前記第２のアドレス手段が供給した前記対象粒子に対応するアドレスに基づき、前記対象粒子を含む粒子に対応するアドレスを順次供給する第３のアドレス手段と、
前記第１のアドレス手段が供給した前記特定粒子に対応するアドレスに基づき、前記特定粒子を含む粒子に対応するアドレスを順次供給する第４のアドレス手段と、
前記第３のアドレス手段が供給した前記対象粒子の座標と、前記第４のアドレス手段が供給した前記特定粒子の座標と、を記憶する座標記憶手段と、
前記座標記憶手段に記憶された前記特定粒子の座標と前記対象粒子の座標とに基づいて、前記特定粒子と前記対象粒子との距離を計算する距離計算手段と、
前記距離計算手段により計算された前記距離に基づいて、前記特定粒子に働く力又はポテンシャルを計算する力計算手段と、
を備えることを特徴とする多体問題用計算装置。 In the calculation device for many-body problems that calculates the force or potential acting on specific particles of a system consisting of multiple particles,
When the distance between the centroid coordinates of the residue to which the specific particle belongs and the centroid coordinates of other residues other than the residue to which the specific particle belongs are compared with the cutoff distance, and the distance is shorter than the cutoff distance, Cut-off means for setting all particles belonging to the other residue as target particles,
First address means for sequentially supplying addresses corresponding to the specific particles;
And second address means sequentially supplies the address of the first address means corresponding to said target particles become a calculation target of the force or potential acting on the specific particles supplied,
Third address means for sequentially supplying addresses corresponding to the particles containing the target particles based on the addresses corresponding to the target particles supplied by the second address means;
Fourth address means for sequentially supplying addresses corresponding to the particles containing the specific particles based on the addresses corresponding to the specific particles supplied by the first address means;
Coordinate storage means for storing the coordinates of the target particles supplied by the third address means and the coordinates of the specific particles supplied by the fourth address means;
Distance calculating means for calculating a distance between the specific particles and the target particles based on the coordinates of the specific particles and the coordinates of the target particles stored in the coordinate storage means;
Force calculating means for calculating a force or potential acting on the specific particle based on the distance calculated by the distance calculating means;
A computer for a multi-body problem, comprising: 前記アドレスは、前記特定粒子の座標及び個数と、前記特定粒子を含む粒子の座標及び個数と、前記対象粒子の座標及び個数と、前記対象粒子を含む粒子の座標及び個数と、を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の多体問題用計算装置。 The address includes the coordinates and number of the specific particles, the coordinates and number of particles including the specific particle, the coordinates and number of the target particle, and the coordinates and number of the particle including the target particle.
The computer for a multi-body problem according to claim 1. 前記第１のアドレス手段は、前記第４のアドレス手段が供給した前記特定粒子を含む粒子に対応するアドレスに基づいて、前記特定粒子に対応するアドレスを順次供給する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の多体問題用計算装置。 The first address means sequentially supplies addresses corresponding to the specific particles based on addresses corresponding to particles including the specific particles supplied by the fourth address means.
The multi-body problem computing apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that: 前記第４のアドレス手段は、前記第２のアドレス手段が供給した前記対象粒子に対応するアドレスと、前記第１のアドレス手段が供給した前記特定粒子に対応するアドレスと、に基づいて、アドレスを順次供給する、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の多体問題用計算装置。 The fourth address unit is configured to determine an address based on the address corresponding to the target particle supplied by the second address unit and the address corresponding to the specific particle supplied by the first address unit. Supply sequentially,
The multibody problem computing apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein カットオフ部と、第１のアドレス部と、第２のアドレス部と、第３のアドレス部と、第４のアドレス部と、座標記憶部と、距離計算部と、力計算部と、を有する複数の粒子からなる系の特定粒子に働く力又はポテンシャルを計算する多体問題用計算装置が実行する多体問題用計算方法であって、
前記カットオフ部が、前記特定粒子が属する残基の重心座標と前記特定粒子が属する残基以外の他の残基の重心座標との距離とカットオフ距離とを比較し、当該距離が当該カットオフ距離より短い場合、当該他の残基に属するすべての粒子を対象粒子とするカットオフ工程と、
前記第１のアドレス部が、前記特定粒子に対応するアドレスを順次供給する第１のアドレス工程と、
前記第２のアドレス部が、前記第１のアドレス部が供給した前記特定粒子に働く力又はポテンシャルの計算対象となる前記対象粒子に対応するアドレスを順次供給する第２のアドレス工程と、
前記第３のアドレス部が、前記第２のアドレス部が供給した前記対象粒子に対応するアドレスに基づき、前記対象粒子を含む粒子に対応するアドレスを順次供給する第３のアドレス工程と、
前記第４のアドレス部が、前記第１のアドレス部が供給した前記特定粒子に対応するアドレスに基づき、前記特定粒子を含む粒子に対応するアドレスを順次供給する第４のアドレス工程と、を備え、
前記座標記憶部には、前記第３のアドレス部が供給した前記対象粒子の座標と、前記第４のアドレス部が供給した前記特定粒子の座標と、が記憶され、
前記多体問題用計算方法は、
前記距離計算部が、前記座標記憶部に記憶された前記特定粒子の座標と前記対象粒子の座標とに基づいて、前記特定粒子と前記対象粒子との距離を計算する距離計算工程と、
前記力計算部が、前記距離計算部により計算された前記距離に基づいて、前記特定粒子に働く力又はポテンシャルを計算する力計算工程と、
を備えることを特徴とする多体問題用計算方法。 A cut-off unit, a first address unit, a second address unit, a third address unit, a fourth address unit, a coordinate storage unit, a distance calculation unit, and a force calculation unit; A calculation method for a many-body problem executed by a calculation device for a many-body problem that calculates a force or potential acting on a specific particle of a system composed of a plurality of particles,
The cut-off unit compares a cutoff distance with a distance between a centroid coordinate of a residue to which the specific particle belongs and a centroid coordinate of a residue other than the residue to which the specific particle belongs, and the distance is the cut-off distance When shorter than the off-distance, a cut-off process with all particles belonging to the other residue as target particles,
A first address process in which the first address unit sequentially supplies addresses corresponding to the specific particles;
It said second address portions, said first address portion acts on the specific particles supplied force or potential calculation subject to the subject sequentially supplies second addresses corresponding to particles of address step,
A third address step in which the third address portion sequentially supplies addresses corresponding to the particles including the target particles based on the addresses corresponding to the target particles supplied by the second address portion;
It said fourth address portion, based on the address corresponding to the specific particles, wherein the first address portion is supplied, and a fourth address step sequentially supplies the address corresponding to the particles containing the specific particles ,
The coordinate storage unit stores the coordinates of the target particles supplied by the third address unit and the coordinates of the specific particles supplied by the fourth address unit,
The calculation method for the many-body problem is:
The distance calculation unit calculates a distance between the specific particles and the target particles based on the coordinates of the specific particles and the coordinates of the target particles stored in the coordinate storage unit;
A force calculating step in which the force calculating unit calculates a force or potential acting on the specific particle based on the distance calculated by the distance calculating unit;
A calculation method for a many-body problem, comprising:
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