JPH031701B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (a) 発明の技術分野 本発明は電子計算機の応用に係り、特に電子計
算機による計算によつて物質分子の動態を求める
ための分子動態シミユレータに関する。

(b) 技術の背景 分子動態のシミユレーシヨンには各種の技法が
ある。例えばモンテカルロ法は熱力学的に分子の
動態を計算する方法であつて、分子の動態探究に
使用されている。

分子動力学法は物質を構成する分子相互間に作
用する力の計算に基づいて、分子の動態を求める
手法であつて、液体等の熱力学的性質、輸送係数
等を分子レベルで解明するためのシミユレーシヨ
ン技法として有効とされ、最近いわゆるバイオテ
クノロジー分野における生体高分子構造の解明等
に使用されようとしている。

(c) 従来技術の問題点 それらの手法はすべての分子の各々の位置を計
算により求めるので、対象とする分子の個数が増
加すると急速に所要計算量が増大する。

例えば分子動力学法の場合に、分子の数を500
個程度に制限した場合でも、現在の氾用高速計算
機では数時間を要する計算になるが、実用的な成
果を得ることのできるシミユレーシヨンとしては
少なくとも数千個の分子を対象にする必要がある
とされている。

近年、科学技術計算を高速に処理する専用計算
機として、ベクトル演算の高速処理を行うことの
できる計算機（ベクトルプロセツサ）が実用され
るようになり、適当なベクトルプロセツサを使用
すれば、汎用計算機の数倍の処理速度で本シミユ
レーシヨンを実行できる。しかし、十分な個数の
分子を含む系のシミユレーシヨンを行うために、
一層の高速化が望まれていた。

(d) 発明の目的 本発明の目的は、分子動態のシミユレーシヨン
を従来より更に高速に処理できる分子動態シミユ
レータを提供するにある。

(e) 発明の構成 この目的は、物質分子の動態を計算するに際
し、複数の変数値の保持手段、境界値の保持手
段、補正値の保持手段、該境界値の逆数と変数値
との積の整数部を制御値として出力する第１の演
算手段、及び該制御値と上記補正値との積を上記
変数値から減ずる第２の演算手段を有し、上記変
数の１について第１の演算手段により得られた制
御値を使用する該変数に対する第２の演算手段の
演算と、他の変数についての第１の演算手段の演
算とを並行に実行するよう構成されてなる、本発
明の分子動態シミユレータによつて達成される。

即ち、分子動態のシミユレーシヨンは一定の有
限領域を設定し、その領域中に存在する分子につ
いて一定の法則に基づいてその位置を計算して、
その動態を追うものであるが、その領域の境界近
くにある分子について領域外の分子の影響を考慮
した補正を行う必要がある。

その為に、分子が境界近傍にあるかの判定を行
い、境界近傍にあると判定された分子に関する計
算について補正することになるが、この判定及び
補正処理を上記本発明の構成によつて乗算と加減
算で構成する。これによりベクトルプロセツサの
いわゆるパイプライン処理を活用可能となるの
で、シミユレーシヨン計算の内の大きな部分を占
める処理を高速化することができ、シミユレーシ
ヨン高速化の目的を達成することができる。

(f) 発明の実施例 第１図は本発明実施例のシステム構成図であ
る。例えば汎用計算機で構成する制御部１０は記
憶装置１１上にシミユレーシヨンの対象領域立方
体の一辺の長さ、領域内の分子の総数、及びその
他のシミユレーシヨン条件を規定する常数類を設
定し、又分子の位置を表示する。３次元座標デー
タの配列等の初期値を準備してベクトルプロセツ
サ１２に演算を指令する。

ベクトルプロセツサ１２はベクトルレジスタ１
３と演算部１４等からなり、記憶装置１１上の所
要部分のデータブロツクをベクトルレジスタ１３
に高速転送し、そのデータについて所定の演算を
実行しその結果をベクトルレジスタ１３を経て記
憶装置１１へ格納する処理を連続的に実行するこ
とにより、ベクトル演算を高速に処理する構成を
有する。

このベクトルプロセツサ１２におけるベクトル
演算の高速性は、主として上記の記憶装置１１と
ベクトルレジスタ１３間の高速ブロツク転送によ
り、演算部１４へ所要のデータを連続的に供給可
能とする構成と、演算部１４内に独立に並行動作
可能な構成の乗算機構、除算機構、加減算機構等
を設けて、いわゆるパイプライン方式で各演算機
構を同時に動作することを可能にする構成によ
る。

一般にベクトル演算は乗算とその結果の累積加
算により構成される演算等が多いので、この機構
を活用すれば高速化することができる。

次ぎに、分子動力学法によるシミユレーシヨン
を例として、領域境界近傍の分子についての、領
域外分子を考慮した補正について述べる。この補
正は、２分子間の力を求めるための分子間距離を
補正して以後の計算に使用することにより、間接
に力を補正する手法がとられる。

第２図は分子１及び２間の距離３を上記の目的
で補正する方式の概念を説明する図である。図に
おて、４はシミユレーシヨン対象の領域である１
辺がAH×２の長さの立方体を示す。AHは後述
のように境界値として使用される。

分子１を現に問題とする分子とし、分子２から
の力を計算する為に、分子間の距離を求めるとす
る。こゝで、分子１が領域４の境界に近く位置す
るときは距離を補正するものとする。

補正の方式は次の通りである。例えば両分子間
の距離のＸ成分Ａ(1)がAHより大きい場合に分子
１は境界近傍にあるとし、この場合にはＡ(1)から
補正値AL（＝AH×２）を引いたA′(1)を距離のＸ
成分とする。この操作は、Ｙ成分Ａ(2)、Ｚ成分Ａ
(3)についてもAHを越えていれば同様に実施す
る。

図はＸ成分のみがAHを越えていた場合の例
で、補正の結果分子２に代えて、図に５で示す位
置にあると仮定した分子を、この場合の分子１に
作用する力の計算に使用する。

以上の処理を従来のプログラミングによつた場
合の処理の流れを第３図に示す。ステツプ２０で
所要の変数の初期設定をする。ステツプ２１と３
２に挟まれる部分は領域内の分子すべてについ
て、順次１分子づつ処理するための処理の繰り返
しを構成し（処理中の分子のデータは添字Ｉで指
定される）、この処理により各分子ごとに、それ
に作用する力の総和が得られた後、各分子の新位
置座標を求める処理（図示せず）に進む。

ステツプ２２と３０に挟まれる部分は、１分子
と領域内の他のすべての分子（添字Ｊに対応す
る）との距離を求めるための繰り返し処理を構成
し、ステツプ２３と２９に挟まれる部分は１対の
分子間の距離の計算を座標軸Ｘ、Ｙ、Ｚの３成分
別に処理する繰り返しである。

ステツプ３１は１対の分子間の距離に基づいて
力を求めて累積する処理部分である。

ステツプ２４は記憶装置１１からベクトルレジ
スタ１３に転送した分子の位置座標の差によつ
て、２分子間の距離の各座標軸成分を求めるステ
ツプで、添字変数Ｋは１、２、３がＸ、Ｙ、Ｚ軸
に対応し、Ａ（Ｋ）は距離の各成分、QN（Ｉ，
Ｋ）、QN（Ｊ，Ｋ）は分子の位置座標である。

ステツプ２５乃至２８で構成される部分は、前
記の第２図により説明した距離補正処理に相当す
る。こゝで、ステツプ２５及びステツプ２７は２
分子の位置座標の差として求めた距離の絶対値が
AHを越えているかを検査する処理であり、その
判定に従つて、ステツプ２４で求めたＡ（Ｋ）の
値をそのまゝ使うか（経路３３）、Ａ（Ｋ）に領域
の辺長AH×２に相当する補正値ALを加減する
（ステツプ２６，２８）。

以上のステツプ２４乃至２８の演算は加減算及
び結果の正負判定からなる為、前記の構成のベク
トルプロセツサではそれらを直列に処理するほか
無く、この部分においては前記のようなベクトル
プロセツサの構成を活用することができない。

本発明の構成における処理の流れを第４図に示
す、図は第３図のステツプ２３からステツプ２９
までの部分に相当する。

第４図において、ステツプ２３，２４，２９は
第３図と同じである。ステツプ２４に続くステツ
プ４０は、実数演算によるＡ（Ｋ）とRAHの積を
求め、その整数部を整数の制御値IKとする処理
である。こゝで、RAHはAHの逆数として、予
め求られているものとする。

前記第２図による説明から明らかなように、ス
テツプ４０の演算の結果の制御値IKは、Ａ（Ｋ）
がAHより大きいか、AHから−AHまでの間に
あるか、−AHより小さいかにより、１、０又は
−１となる。従つて、ステツプ４１において、補
正値ALと制御値IKの積をＡ（Ｋ）から減じれば、
第３図の場合と同じ補正をＡ（Ｋ）に与えること
になる。

第４図の処理の流れによれば、ステツプ２４か
らステツプ４１までの流れは乗算と加減算を含
み、判定による分岐を要しないので、前記のよう
な構成のベクトルプロセツサのパイプライン方式
を有効に利用することが可能になる。

以上の説明は分子動力学法によるシミユレーシ
ヨンを例として説明したが、本発明はこれに限る
ものではない。例えばモンテカルロ法によるシミ
ユレーシヨンにおいても、当業者は上記説明から
容易に本発明を実施することができる。

又、上記説明は３次元のシミユレーシヨンを例
として説明したが、２次元のシミユレーシヨンに
おいても同様に本発明を適用できることは明らか
である。

(g) 発明の効果 以上の説明から明らかなように本発明によれ
ば、分子動態のシミユレーシヨンを高速化するこ
とにより、該シミユレーシヨンの実用可能な応用
分野を拡大するという著しい工業的効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例構成図、第２図は境
界近傍分子に関する補正の説明図、第３図は従来
例の処理の流れ図、第４図は本発明一実施例の処
理の流れ図である。 図において、１，２，５は分子、４はシミユレ
ーシヨン領域、１０は制御部、１１は記憶装置、
１２はベクトルプロセツサ、１３はベクトルレジ
スタ、１４は演算部、２０〜４１は処理の各ステ
ツプ又は経路を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 物質分子の動態を計算するに際し、複数の変
   数値の保持手段、境界値の保持手段、補正値の保
   持手段、該境界値の逆数と変数値との積の整数部
   を制御値として出力する第１の演算手段、及び該
   制御値と上記補正値との積を上記変数値から減ず
   る第２の演算手段を有し、上記変数の１について
   第１の演算手段により得られた制御値を使用する
   該変数に対する第２の演算手段の演算と、他の変
   数についての第１の演算手段の演算とを並行に実
   行するよう構成されてなることを特徴とする分子
   動態シミユレータ。