JPH06231114A - Device and method for calculating problem of many-body - Google Patents
Device and method for calculating problem of many-bodyInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】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、効率良く扱うための専
用計算装置及び方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a dedicated computing device and method for efficiently handling force or potential calculations in molecular dynamics.
【０００２】[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を
分子動力学法という。以下の説明では粒子という言葉
を、原子と同じ意味で用いる。分子動力学法では、実際
の物質の中から適当な領域を切り出して、そこに含まれ
る全ての原子の座標、質量、電荷量や速度等を計算機中
にモデル化する。例えば１０，０００個の粒子からなる
系（モデル）を考えると、或るｉ番目の粒子に働く力
は、それ以外の９，９９９個の粒子との間に働く力の総
和である。従って、力の計算を９，９９９回行い、それ
らの総和を計算しなければならない。更に、この計算を
全ての粒子について行うので、９９，９９０，０００回
の計算が必要になる。こうして求めた力から各粒子の加
速度を計算し、微小時間後の各粒子の速度や座標を計算
する。このように、各粒子の新しい速度や座標が求まる
ことを、計算が１ステップ進んだと呼ぶことにする。分
子動力学法では、数千から数万ステップの計算を行うこ
とが必要になる。2. Description of the Related Art The field of thinking about the behavior of liquids, solids, or polymers as a result of the movement of the atoms that compose them, and simulating the movements with a computer is called the molecular dynamics method. In the following description, the term particle is used with the same meaning as atom. In the molecular dynamics method, an appropriate region is cut out from an actual substance, and the coordinates, mass, charge amount, velocity, etc. of all the atoms contained therein are modeled in a computer. For example, considering a system (model) consisting of 10,000 particles, the force acting on a certain i-th particle is the sum of the forces acting on the other 9,999 particles. Therefore, the forces must be calculated 9,999 times and their sum must be calculated. Furthermore, since this calculation is performed for all particles, 99,990,000 calculations are required. The acceleration of each particle is calculated from the force thus obtained, and the velocity and coordinates of each particle after a short time are calculated. Obtaining new velocities and coordinates of each particle in this way is referred to as one step of calculation. The molecular dynamics method requires calculation of thousands to tens of thousands of steps.
【０００３】上の説明から明らかなように、一般にＮ個
の粒子からなる系では力の計算量はほぼＮ2 に比例し、
速度や座標の計算量はＮに比例する。従って、Ｎが大き
くなると力の計算量が膨大になるので、スーパーコンピ
ュータを使っても計算が難しくなる。As is clear from the above description, in a system generally composed of N particles, the calculation amount of force is almost proportional to N 2 .
The amount of calculation of speed and coordinates is proportional to N. Therefore, when N becomes large, the amount of calculation of force becomes enormous, which makes calculation difficult even with a supercomputer.
【０００４】そこで、従来は、文献“ＦＡＳＴＲＵＮ：
Ａ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｐｕｒｐｏｓｅ， Ｈａｒｄｗｉ
ｒｅｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｆｏｒ Ｍｏｌｅｃｕｌａ
ｒＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ”，ＰＲＯＴＥＩＮＳ：Ｓｔｒ
ｕｃｔｕｒｅ， Ｆｕｎｃｔｉｏｎ， ａｎｄ Ｇｅｎ
ｅｔｉｃｓ １１：２４２−２５３（１９９１）に示さ
れるような、力の計算を高速化するための専用計算機が
使用されている。Therefore, conventionally, the document "FASTRUN:
A Special Purpose, Hardwi
red Computer for Molecular
rSimulation ”, PROTEINS: Str
structure, Function, and Gen
A dedicated computer for accelerating force calculation is used, as shown in etics 11: 242-253 (1991).
【０００５】ところで、原子間に働く力には幾つかの種
類がある。ファンデルワールス力はどの原子間にも働
く。原子が電荷を持つならばクーロン力が働き、結合し
ているならばそれに見合った結合力が働く。結合してい
る原子間に働く力の計算は一般に複雑なので、そうでな
い原子間に働く力の計算とは、扱いを変えなければなら
ない。また、或る原子と結合している原子の数は通常数
個であるので、その計算は汎用計算機上で行い、専用計
算機上では計算しないことにしている。従って、専用計
算機で計算するのは、主にファンデルワールス力とクー
ロン力となる。By the way, there are several types of forces acting between atoms. Van der Waals force works between every atom. If the atom has a charge, the Coulomb force works, and if it is bound, the binding force corresponding to it works. Since the calculation of the force acting between the bonded atoms is generally complicated, it must be treated differently from the calculation of the force acting between the atoms that are not. Moreover, since the number of atoms bonded to a certain atom is usually several, the calculation is performed on a general-purpose computer and not on a dedicated computer. Therefore, the van der Waals force and Coulomb force are mainly calculated by the dedicated computer.
【０００６】ファンデルワールス力は、良く知られたＬ
−Ｊ（レナードジョーンズ）型ポテンシャルで表される
ことが多い。この力をＦLJ、粒子間距離をｒとすると、 ＦLJ＝Ａ（Ｂ6 ｒ-7−２Ｂ12ｒ-13 ） と表される。Ａ，Ｂは粒子の種類によって決まる定数で
ある。この式から明らかなように、ｒの次数が負で大き
いのでＦLJはｒが大きくなると急激に小さくなる。従っ
て、ＦLJに要求される計算精度に応じて、適当なカット
オフ距離ｒc が決まり、ｒがｒc よりも大きくなる粒子
対の計算はしなくても良いことになる。この様子を図２
に示す。破線の内側が考えている系である。黒点で示す
或るｉ番目の粒子の周りに半径ｒc の球面を考え、その
内側に在る網がかかった粒子との間でのみ力を計算し、
それ以外の白点の粒子との力は計算する必要が無い。１
つの粒子の周りに存在する粒子の数は、系に含まれる粒
子数Ｎによらずほぼ一定と考えられるので、力の計算量
はＮに比例することになる。Van der Waals force is the well-known L
-It is often expressed as a J (Leonard Jones) type potential. The force F LJ, the distance between the particles and r, is expressed as F LJ = A (B 6 r -7 -2B 12 r -13). A and B are constants determined by the type of particles. As is clear from this equation, since the order of r is negative and large, F LJ sharply decreases as r increases. Therefore, an appropriate cutoff distance r c is determined according to the calculation accuracy required for F LJ, and it is not necessary to calculate a particle pair in which r is larger than r c . Figure 2
Shown in. The system inside is inside the broken line. Consider a sphere of radius r c around a certain i-th particle indicated by a black dot, and calculate the force only between the particle inside and the meshed particle,
It is not necessary to calculate the force with other white point particles. 1
Since the number of particles existing around one particle is considered to be substantially constant regardless of the number N of particles included in the system, the calculation amount of force is proportional to N.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】先に述べた従来例では
このような観点から、ホストコンピュータ上で予め粒子
対表（ペアリスト）を作り、それを基に専用計算機で力
を計算するようにしている。ところで、ペアリストを作
るためには、ｉ番目の粒子とそれ以外の粒子との距離を
全て計算しなければならない。そして、その計算を全て
の粒子について行わなければならないので、系にＮ個の
粒子が含まれているとすると、Ｎ2 に比例する計算量に
なる。また、各粒子は移動しているので適当な計算ステ
ップ毎に、ペアリストを更新しなければならない。従っ
てＮが大きくなると、全体の計算時間に占めるペアリス
トの計算時間が無視できなくなるという問題があった。In the above-mentioned conventional example, from such a viewpoint, a particle pair table (pair list) is created in advance on the host computer, and the force is calculated by a dedicated computer based on the particle pair table. ing. By the way, in order to create a pair list, all distances between the i-th particle and other particles must be calculated. Since the calculation has to be performed for all particles, if the system contains N particles, the amount of calculation is proportional to N 2 . Also, since each particle is moving, the pair list must be updated at each appropriate calculation step. Therefore, when N becomes large, there is a problem that the calculation time of the pair list in the total calculation time cannot be ignored.
【０００８】ペアリストを使う場合の別の課題として、
リストを記憶する為のメモリ容量がある。従来例ではペ
アリストの個数の例として、系全体に含まれる粒子数が
２，２０４個で、ｒc を１．５ｎｍとした場合に、粒子
対が５８３，２６７となっている。１つの粒子対の記憶
に３２ビット（４バイト）必要とすると、この場合は約
２．３Ｍバイトである。この程度のメモリ容量ならば実
現は容易である。ところで、生体膜などを扱おうとする
と、粒子数は１００，０００のオーダになる。また、計
算精度を上げるためにｒc を２．８ｎｍにすると、１つ
の粒子の周りに約７，５００個の粒子が存在するので、
約１．５Ｇバイトの容量が必要になり、実現困難にな
る。Another problem when using the pair list is as follows.
There is memory capacity to store the list. In the conventional example, as an example of the number of pair lists, the number of particles contained in the entire system is 2,204, and the number of particle pairs is 583,267 when r c is 1.5 nm. If 32 bits (4 bytes) are required to store one particle pair, this is approximately 2.3 Mbytes. With such a memory capacity, realization is easy. By the way, when trying to handle a biological membrane, the number of particles is on the order of 100,000. Further, when r c is set to 2.8 nm to improve the calculation accuracy, there are about 7,500 particles around one particle,
A capacity of about 1.5 GB is required, which makes it difficult to realize.
【０００９】以上をまとめると、ペアリストを使えば力
の計算量はＮに比例するので都合が良いが、ペアリスト
を作る計算量がＮ2 に比例し、しかもリストを記憶する
メモリが、Ｎに比例して必要になるという問題があっ
た。To summarize the above, it is convenient to use a pair list because the calculation amount of force is proportional to N. However, the calculation amount to create a pair list is proportional to N 2 , and the memory for storing the list is N. There was a problem that it was necessary in proportion to.
【００１０】また、従来例の別の問題としては、クーロ
ン力ＦC の扱い方がある。ＦC は ＦC ＝ＣＤｒ-2 と表される。Ｃ，Ｄはそれぞれの粒子の電荷量である。
この場合はｒの次数が小さいので、ｒが大きくなっても
直ぐにはＦC が小さくならない。つまり、クーロン力は
長距離力であり、しかもかなり大きな力なので、カット
オフ距離ｒc を導入することは本来できないが、従来例
では計算精度を犠牲にして、導入している。Another problem of the conventional example is how to handle the Coulomb force F C. F C is expressed as F C = CDr −2 . C and D are the charge amounts of the respective particles.
In this case, since the order of r is small, even if r becomes large, F C does not become small immediately. In other words, the Coulomb force is a long-distance force, and is a considerably large force, so the cutoff distance r c cannot be originally introduced, but in the conventional example, it is introduced at the expense of calculation accuracy.
【００１１】本発明は、前記問題点を解決するために案
出されたものであって、クーロン力の計算の際にペアリ
ストを生成することにより、ファンデルワールス力の計
算の際のペアリストを作るための計算時間を短縮し、し
かもリストを記憶するメモリを減らすことを目的とす
る。The present invention has been devised in order to solve the above-mentioned problems, and by generating a pair list at the time of calculating the Coulomb force, a pair list at the time of calculating the Van der Waals force is obtained. The purpose is to reduce the calculation time for creating a list and to reduce the memory for storing the list.
【００１２】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するため、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）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、前記特定
粒子と該特定粒子以外の粒子との相互作用の総和として
計算する多体問題用計算装置において、系に含まれる全
ての粒子の座標を記憶する第１の座標記憶手段と、前記
第１の座標記憶手段に順次粒子番号に対応するアドレス
を供給する第１のアドレス手段と、前記特定粒子の座標
を記憶する第２の座標記憶手段と、前記第１の座標記憶
手段から読み出された座標と前記第２の座標記憶手段か
ら読み出された前記特定粒子の座標とから粒子間距離ｒ
を計算する手段と、カットオフ距離ｒc を記憶する手段
と、粒子間距離ｒとカットオフ距離ｒc とを比較し、ｒ
がｒc よりも小さい時に書き込み信号を生成する手段
と、前記書き込み信号が供給された時に前記粒子番号を
記憶する粒子番号記憶手段と、該粒子番号記憶手段にア
ドレスを供給する第２のアドレス手段とを設け、クーロ
ン力或いはポテンシャルを計算する時に、特定粒子から
距離ｒc 以内にある粒子のリストを作り、ファンデルワ
ールス力或いはポテンシャルを計算する時には、そのリ
ストに記録されている粒子との間でのみ力或いはポテン
シャルを計算するようにしたことを特徴とする。[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a force or potential acting on a specific particle in a system consisting of N particles (N is an integer of 2 or more) as the specific particle. In a calculation device for a multi-body problem, which calculates as a total sum of interactions with particles other than the specific particles, first coordinate storage means for storing coordinates of all particles included in the system, and the first coordinate storage means. First address means for sequentially supplying addresses corresponding to particle numbers, second coordinate storage means for storing the coordinates of the specific particles, the coordinates read from the first coordinate storage means, and the first coordinate storage means. The interparticle distance r based on the coordinates of the specific particle read from the coordinate storage unit 2
The comparing means for calculating, means for storing a cutoff distance r c, the inter-particle distance r and the cutoff distance r c, r
Is smaller than r c, means for generating a write signal, particle number storage means for storing the particle number when the write signal is supplied, and second address means for supplying an address to the particle number storage means , And when a Coulomb force or potential is calculated, a list of particles within a distance r c from a specific particle is created, and when calculating the Van der Waals force or potential, the list of particles between the particles is recorded. It is characterized in that the force or potential is calculated only in.
【００１３】粒子間距離ｒとカットオフ距離ｒc に代え
て、粒子間距離ｒの２乗ｒ2 とカットオフ距離ｒc の２
乗ｒc 2 を比較するようにしてもよい。Instead of the interparticle distance r and the cutoff distance r c , the square of the interparticle distance r 2 and the cutoff distance r c 2
The power r c 2 may be compared.
【００１４】また、前記粒子番号記憶手段の内容を読み
書き可能なホストコンピュータを更に設け、該ホストコ
ンピュータにより、クーロン力或いはポテンシャル又は
全ての粒子との間のファンデルワールス力或いはポテン
シャルを計算する際に作られた近傍リストを読み出して
所定の記憶手段に格納し、該記憶手段に格納された近傍
リストに従ってクーロン力或いはポテンシャル又はファ
ンデルワールス力或いはポテンシャルを計算できるよう
にすることもできる。Further, a host computer capable of reading and writing the contents of the particle number storage means is further provided, and when the host computer calculates Coulomb force or potential or van der Waals force or potential between all particles. It is also possible to read out the created neighborhood list and store it in a predetermined storage means so that the Coulomb force or potential or van der Waals force or potential can be calculated according to the neighborhood list stored in the storage means.
【００１５】また、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）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、前
記特定粒子と該特定粒子以外の粒子との相互作用の総和
として計算する多体問題用計算方法において、クーロン
力或いはポテンシャルを計算するのと同時に、前記特定
粒子から所定距離以内にある粒子のリストを作り、ファ
ンデルワールス力或いはポテンシャルを計算する場合に
は、前記リストに記録されている粒子との間でのみ力或
いはポテンシャルを計算するようにしたことを特徴とす
る。In addition, the force or potential acting on a specific particle in a system composed of N particles (N is an integer of 2 or more) is calculated as the sum of the interactions between the specific particle and particles other than the specific particle. In the calculation method for a many-body problem, at the same time as calculating Coulomb force or potential, at the same time making a list of particles within a predetermined distance from the specific particle and calculating Van der Waals force or potential, The feature is that the force or potential is calculated only between the recorded particles.
【００１６】[0016]
【作用】本発明によれば、或る粒子とそれ以外の全ての
粒子との間に働くクーロン力或いはポテンシャルを計算
する時に、或る粒子から適当なカットオフ距離以内にあ
る粒子のリストが自動的に作成される。そして、この近
傍リストを基に、或る粒子に働くファンデルワールス力
或いはポテンシャルが計算される。したがって、ファン
デルワールス力或いはポテンシャルを計算するための新
たに近傍リストを作成する工程が不要となり計算時間が
大幅に短縮される。According to the present invention, when calculating the Coulomb force or potential acting between a particle and all other particles, a list of particles within an appropriate cutoff distance from a particle is automatically calculated. Be created. Then, based on this neighborhood list, the van der Waals force or potential acting on a certain particle is calculated. Therefore, the step of creating a new neighborhood list for calculating the Van der Waals force or potential is not required, and the calculation time is greatly reduced.
【００１７】[0017]
【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。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The features of the present invention will be specifically described below based on embodiments with reference to the drawings.
【００１８】図１は、本発明の多体問題用計算装置の実
施例を示すブロック図である。図１に示す多体問題用計
算装置は、後述する第１の座標記憶手段３のアドレスを
指定する第１のアドレス手段１と、この第１のアドレス
手段１からのアドレス又は後述するアドレス記憶手段８
からのアドレスを選択するアドレス選択手段２と、系内
の粒子の座標を記憶する第１の座標記憶手段３と、粒子
間の距離を計算する粒子間距離計算手段４と、特定の粒
子であるｉ粒子の座標を記憶する第２の座標記憶手段５
と、粒子間距離とカットオフ距離を比較する比較手段６
と、カットオフ距離の記憶手段７と、特定粒子からカッ
トオフ距離以内にある粒子の番号を記憶するためのアド
レス記憶手段８と、アドレス記憶手段８のアドレスを指
定する第２のアドレス手段９とを有するものである。前
記第１のアドレス手段１は、たとえば、ダウンカウンタ
で構成され、そのアドレスがクロックパルス毎に１だけ
デクリメントされる。また、前記第２のアドレス手段９
は、たとえば、アップダウン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或
いはデクリメントされる。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a multibody problem computing apparatus of the present invention. The calculation device for a multibody problem shown in FIG. 1 includes a first address means 1 for designating an address of a first coordinate storage means 3 described later, and an address from the first address means 1 or an address storage means described later. 8
Address selecting means 2 for selecting an address from the first, a first coordinate storing means 3 for storing the coordinates of particles in the system, an interparticle distance calculating means 4 for calculating a distance between particles, and a specific particle. Second coordinate storage means 5 for storing the coordinates of i particles
And a comparison means 6 for comparing the distance between particles and the cutoff distance
A cutoff distance storage means 7, an address storage means 8 for storing the number of particles within a cutoff distance from a specific particle, and a second address means 9 for designating an address of the address storage means 8. Is to have. The first address means 1 is composed of, for example, a down counter, and its address is decremented by 1 every clock pulse. Also, the second address means 9
Is composed of, for example, an up / down counter, and its address is incremented or decremented by 1 every clock pulse.
【００１９】図１に示す計算装置により、先ずｉ粒子と
それ以外の全ての粒子間に働く力を計算する。本実施例
においては、先ずクーロン力を計算し、次いで、ファン
デルワールス力を計算する。The calculation device shown in FIG. 1 first calculates the force acting between the i-particle and all other particles. In this embodiment, the Coulomb force is calculated first, and then the Van der Waals force is calculated.
【００２０】ｉ粒子の座標（ｘi ，ｙi ，ｚi ）は、図
示しない装置によって、予めｉ粒子の第２の座標記憶手
段５に格納されているものとする。また、ｉ粒子以外の
全ての粒子の座標は、図示しない装置によって、第１の
座標記憶手段３に予め格納されているものとする。更
に、ファンデルワールス力のカットオフ距離ｒc が、図
示しない装置によって、カットオフ距離の記憶手段７に
予め格納されているものとする。第１のアドレス手段１
には初めの粒子の番号ｊ（最大の粒子番号）が、図示し
ない装置によって設定されており、第２のアドレス手段
９は、図示しない装置によって０が設定され、また、ア
ップカウンタとして動作するように設定されている。ア
ドレス選択手段２はＡ入力を選んだ状態になっている。It is assumed that the coordinates (x i , y i , z i ) of the i particle are stored in advance in the second coordinate storage means 5 of the i particle by a device (not shown). Further, it is assumed that the coordinates of all particles other than i particles are stored in advance in the first coordinate storage means 3 by a device (not shown). Further, it is assumed that the van der Waals force cutoff distance r c is stored in advance in the cutoff distance storage means 7 by a device (not shown). First addressing means 1
, The first particle number j (maximum particle number) is set by a device (not shown), and the second address means 9 is set to 0 by a device (not shown). Is set to. The address selecting means 2 is in a state in which the A input is selected.
【００２１】計算が始まると、初めの粒子の番号が、第
１のアドレス手段１からアドレス選択手段２を通して第
１の座標記憶手段３のアドレス入力に供給される。この
結果、第１の座標記憶手段３から初めの粒子の座標（ｘ
j ，ｙj ，ｚj ）が読み出されて、粒子間距離の計算手
段４に供給される。粒子間距離の計算手段４では式 ｒj ＝｛（ｘj −ｘi ）2 ＋（ｙj −ｙi ）2 ＋（ｚj
−ｚi ）2 ｝1/2 により、粒子間距離ｒj が計算される。ｒj は力やポテ
ンシャルの計算部１０と比較手段６に供給される。力や
ポテンシャルの計算部１０では、ｒj からクーロン力Ｆ
C やクーロンポテンシャル等が計算される。なお、クー
ロン力やクーロンポテンシャルの計算動作は、本発明に
直接関係しないので説明を省略する。比較手段６ではｒ
j と、カットオフ距離の記憶手段７から供給されるカッ
トオフ距離ｒc とを比較し、ｒj の方が小さいならばそ
の出力を活性化し、アドレス記憶手段８の書き込み端子
ＷＥに書き込み信号を供給し、アドレス記憶手段８の第
２のアドレス手段９により指定されたアドレス、すなわ
ち、０番地に第１のアドレス手段１からの粒子番号を記
憶する。更に、記憶した後で第２のアドレス手段９のク
ロック端子ＣＫにクロック信号を供給し、第２のアドレ
ス手段９のアドレスを１増加させる。When the calculation is started, the first particle number is supplied from the first address means 1 through the address selection means 2 to the address input of the first coordinate storage means 3. As a result, the coordinates (x
j , y j , z j ) are read out and supplied to the interparticle distance calculation means 4. In the means 4 for calculating the distance between particles, the expression r j = {(x j −x i ) 2 + (y j −y i ) 2 + (z j
The inter-particle distance r j is calculated by −z i ) 2 } 1/2 . The r j is supplied to the force / potential calculation unit 10 and the comparison unit 6. In the force and potential calculation unit 10, from r j to Coulomb force F
C , Coulomb potential, etc. are calculated. Note that the calculation operation of the Coulomb force and the Coulomb potential is not directly related to the present invention, so the description thereof will be omitted. In the comparison means 6, r
j is compared with the cutoff distance r c supplied from the cutoff distance storage means 7, and if r j is smaller, its output is activated and a write signal is sent to the write terminal WE of the address storage means 8. The particle number supplied from the first address means 1 is stored in the address designated by the second address means 9 of the address storage means 8, that is, at address 0. Further, after storing, a clock signal is supplied to the clock terminal CK of the second address means 9 to increment the address of the second address means 9 by 1.
【００２２】初めの粒子についての処理が終わったなら
ば、第１のアドレス手段１のアドレスを１減少させ次の
粒子について処理をする。このようにして、全ての粒子
について処理をする。When the processing for the first particle is completed, the address of the first address means 1 is decremented by 1 and the processing for the next particle is performed. In this way, all particles are processed.
【００２３】全ての粒子についての処理が終わると、ｉ
粒子から距離ｒc 以内にある粒子の番号が、全てアドレ
ス記憶手段８に記録されていることになる。第２のアド
レス手段９のアドレスは「最後にデータを書き込んだ番
地＋１」になっている。When all the particles have been processed, i
All the numbers of particles within the distance r c from the particles are recorded in the address storage means 8. The address of the second address means 9 is "the address where the data was last written + 1".
【００２４】次に、アドレス記憶手段８に記録されてい
るｉ粒子から距離ｒc 以内にある粒子の番号を使ってフ
ァンデルワールス力を計算する。このとき、アドレス選
択手段２はＢ入力を選ぶように図示しない装置によって
切り替えられる。また、比較手段６の出力は、図示しな
い装置によって常に非活性の状態に設定され、第２のア
ドレス手段９は、図示しない装置によってダウンカウン
タとして動作するように設定されている。Next, the van der Waals force is calculated by using the numbers of the particles within the distance r c from the i particles recorded in the address storage means 8. At this time, the address selection means 2 is switched by a device (not shown) so as to select the B input. The output of the comparison means 6 is always set to an inactive state by a device not shown, and the second address means 9 is set to operate as a down counter by a device not shown.
【００２５】計算が始まると、第２のアドレス手段９の
アドレスが１減少し、アドレス記憶手段８に最後に書き
込んだ番地を供給する。従って、アドレス記憶手段８か
らはカットオフ距離ｒc 以内にある最後の粒子番号ｎが
読み出され、第１の座標記憶手段３に供給される。第１
の座標記憶手段３からは、粒子の座標（ｘn ，ｙn ，ｚ
n ）が読み出されて、粒子間距離計算手段４に供給され
る。粒子間距離計算手段４では、粒子間距離ｒn が計算
され、ｒn は力やポテンシャルの計算部１０に供給され
る。力やポテンシャルの計算部１０では、ｒn からファ
ンデルワールス力ＦLJや、Ｌ−Ｊポテンシャル等が計算
される。When the calculation is started, the address of the second address means 9 is decremented by 1 and the last written address is supplied to the address storage means 8. Therefore, the last particle number n within the cutoff distance r c is read from the address storage means 8 and supplied to the first coordinate storage means 3. First
From the coordinate storage means 3 of the particle coordinates (x n , y n , z
n ) is read out and supplied to the interparticle distance calculation means 4. The inter-particle distance calculation means 4 calculates the inter-particle distance r n , and the r n is supplied to the force / potential calculation unit 10. The calculation unit 10 of the force or potential, or van der Waals force F LJ from r n, LJ potential, etc. are calculated.
【００２６】初めの粒子についての処理が終わったなら
ば、第２のアドレス手段９のアドレスを１減少させ、次
の粒子について処理をする。このようにして、第２のア
ドレス手段９のアドレスが０になるまで順次処理をす
る。When the processing for the first particle is completed, the address of the second address means 9 is decremented by 1 and the processing for the next particle is performed. In this way, the sequential processing is performed until the address of the second address means 9 becomes 0.
【００２７】上述したように、本実施例によれば、先
ず、ｉ粒子に働くクーロン力が、それ以外の全ての粒子
との間で計算され、このクーロン力の計算と同時に、後
続するファンデルワールス力の計算のための最新の近傍
リストが作成されるので、ホストコンピュータで近傍リ
ストを計算する必要がない。また、近傍リストの記憶領
域をホストコンピュータが確保する必要もない。As described above, according to this embodiment, first, the Coulomb force acting on the i particle is calculated between all the other particles, and at the same time as the calculation of this Coulomb force, the succeeding van der The host computer does not need to calculate the neighborhood list because the latest neighborhood list for the calculation of the Waals force is created. Further, it is not necessary for the host computer to secure the storage area for the neighborhood list.
【００２８】上述したアドレス記憶手段８の内容は、イ
ンターフェース２１を介してホストコンピュータ２２が
読み書き出来るようになっている。クーロン力を計算す
る必要が無い場合は、先ず図１の装置を使って、ｉ粒子
に働くファンデルワールス力を、それ以外の全ての粒子
との間で計算し、近傍リストを作成する。この場合の近
傍リストの作成は、専用のハードウェアを使うので、ホ
ストコンピュータで行う場合よりも高速である。また、
同時に力も求まるので、近傍リストを作るためだけに距
離を計算するような、無駄なことをしなくても済む。こ
のようにして求めた近傍リストをホストコンピュータ２
２が読み出し、メモリやディスク等の適当な記憶場所に
格納する。次の計算ステップで、再びｉ粒子に働くファ
ンデルワールス力を計算する場合に、ホストコンピュー
タ２２がアドレス記憶手段８にこの近傍リストを書き込
めば、計算時間を大幅に短縮することができる。但し、
この場合には近傍リストの記憶領域を確保する必要があ
る。また、近傍リストは適当なステップ毎に更新が必要
である。The contents of the address storage means 8 can be read and written by the host computer 22 through the interface 21. When it is not necessary to calculate the Coulomb force, first, the apparatus of FIG. 1 is used to calculate the van der Waals force acting on the i particle with all the other particles to create a neighborhood list. In this case, the creation of the neighborhood list is faster than the case of using the host computer because dedicated hardware is used. Also,
At the same time, the force is calculated, so that it is not necessary to do unnecessary work such as calculating the distance only to create the neighbor list. The neighborhood list thus obtained is used by the host computer 2
2 reads and stores it in an appropriate storage location such as a memory or a disk. In the next calculation step, when the van der Waals force acting on the i-particle is calculated again, if the host computer 22 writes this neighborhood list in the address storage means 8, the calculation time can be greatly shortened. However,
In this case, it is necessary to secure a storage area for the neighborhood list. Also, the neighborhood list needs to be updated at every appropriate step.
【００２９】計算速度が重要であり計算精度が低くても
良い場合には、図１に示す計算装置を用いても従来例と
同様に、クーロン力を適当な距離でカットオフすること
ができる。When the calculation speed is important and the calculation accuracy may be low, the Coulomb force can be cut off at an appropriate distance by using the calculation device shown in FIG. 1 as in the conventional example.
【００３０】なお、上述の実施例においては、第１のア
ドレス手段１にはダウンカウンタを用いて、計算実行時
に最大の粒子番号から減少するとしているが、これに制
限されるものではなく、アップカウンタを用いても同様
の機能を実現できる。但し、その場合にはカウント値が
カウンタの最大カウント値になったら計算を終了するよ
うにするか、または、最大粒子番号を記憶するレジスタ
を設け、カウント値がそのレジスタに格納されている値
と等しくなったら計算を終了するようにする。In the above embodiment, the down counter is used for the first address means 1 to decrease from the maximum particle number at the time of executing the calculation, but the present invention is not limited to this, and the up count is not limited. The same function can be realized by using a counter. However, in that case, the calculation is terminated when the count value reaches the maximum count value of the counter, or a register for storing the maximum particle number is provided and the count value is set to the value stored in that register. When the values are equal, the calculation ends.
【００３１】また、第２のアドレス手段９は、アドレス
記憶手段８にデータを書き込む場合にはアップカウンタ
として動作し、読み出す場合にはダウンカウンタとして
動作するとしているが、これに制限されるものではな
く、何れの場合でも、アップカウンタでもダウンカウン
タでも、どちらを用いても同様の機能を実現できる。The second address means 9 operates as an up counter when writing data in the address storage means 8 and operates as a down counter when reading data, but is not limited to this. In any case, the same function can be realized by using either an up counter or a down counter.
【００３２】また、第１の座標記憶手段３にはｉ粒子以
外の全ての粒子の座標が格納されているとして説明して
いるが、ｉ粒子を含めて全ての粒子の座標を格納するこ
ともできる。その場合には、第１の座標記憶手段３から
ｉ粒子の座標が読み出されることがあるが、その時は距
離ｒが０になるのでそれを検出し、力やポテンシャルを
０にすれば良い。このように全粒子の座標を格納できる
ように構成した方が、ホストコンピュータ２２上での処
理が遥かに容易になる。Further, although it has been described that the coordinates of all particles other than i particles are stored in the first coordinate storage means 3, the coordinates of all particles including i particles may also be stored. it can. In that case, the coordinates of the i particle may be read from the first coordinate storage means 3, but at that time, the distance r becomes 0, so that it may be detected and the force or potential may be made 0. The processing on the host computer 22 becomes much easier if the coordinates of all particles are stored in this way.
【００３３】また、距離計算手段４では距離ｒを求める
として説明しているが、距離ｒの２乗ｒ2 を求めても良
い。このようにすれば平方根を計算しなくて良いので、
ハードウェアが遥かに簡単になる。但し、この場合には
カットオフ距離の記憶手段７に、ｒc ではなくｒc の２
乗ｒc 2 を格納しなければならない。また、力やポテン
シャルの計算部１０の機能が変わるが、本発明自体の構
成は変わらない。Further, although the distance calculating means 4 is described as obtaining the distance r, the square r 2 of the distance r may be obtained. This way you don't have to calculate the square root,
Hardware is much easier. However, 2 of this storage means 7 of the cut-off distance in the case, the r c without r c
The power r c 2 must be stored. Further, although the function of the force and potential calculation unit 10 changes, the configuration of the present invention itself does not change.
【００３４】また、上述した実施例では、第１のアドレ
ス手段１からアドレスが出力されて、アドレス記憶手段
８にアドレスが書かれるまでを一繋がりの動作としてい
るが、これを複数に分割し、パイプライン処理させるこ
ともできる。この場合には、比較手段６の出力が活性化
した時には、第１のアドレス手段１の出力が既に変化し
てしまっているという問題が発生する。これを解決する
には、図３に示すように、第１のアドレス手段１とアド
レス記憶手段８との間に、デジタル遅延手段１１を入れ
ればよい。また、図４に示すように、アドレス記憶手段
８専用の第３のアドレス手段１２を設け、その変化タイ
ミングをずらすようにしてもよい。Further, in the above-mentioned embodiment, the operation from the output of the address from the first address means 1 to the writing of the address in the address storage means 8 is one operation, but it is divided into a plurality of operations. It can also be pipelined. In this case, when the output of the comparison means 6 is activated, there arises a problem that the output of the first address means 1 has already changed. To solve this, as shown in FIG. 3, the digital delay means 11 may be inserted between the first address means 1 and the address storage means 8. Further, as shown in FIG. 4, third address means 12 dedicated to the address storage means 8 may be provided and the change timing thereof may be shifted.
【００３５】[0035]
【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
或る粒子とそれ以外の全ての粒子との間に働くクーロン
力或いはポテンシャルを計算する時に、或る粒子から適
当なカットオフ距離以内にある粒子のリストを自動的に
作成し、この近傍リストを基に、或る粒子に働くファン
デルワールス力或いはポテンシャルを計算するようにし
たので、ファンデルワールス力或いはポテンシャルの計
算時間を大幅に短縮でき、しかも、近傍リストを格納す
るための膨大なメモリをホストコンピュータ上に用意す
る必要が無いという効果を奏する。As described above, according to the present invention,
When calculating the Coulomb force or potential acting between a particle and all other particles, a list of particles within an appropriate cutoff distance from a particle is automatically created, and this neighbor list is Based on this, the van der Waals force or potential acting on a certain particle is calculated, so the calculation time of the van der Waals force or potential can be greatly shortened, and an enormous memory for storing the neighborhood list is used. The effect is that there is no need to prepare it on the host computer.
【図１】 この発明の実施例を示す回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention.
【図２】 分子動力学法におけるカットオフ距離を説明
する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a cutoff distance in a molecular dynamics method.
【図３】 この発明の他の実施例を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention.
【図４】 この発明の更に他の実施例を示す回路図であ
る。FIG. 4 is a circuit diagram showing still another embodiment of the present invention.
１…第１のアドレス手段、２…アドレス選択手段、３…
第１の座標記憶手段、４…距離計算手段、５…第２の座
標格納手段、６…比較手段、７…カットオフ距離格納手
段、８…アドレス記憶手段、９…第２のアドレス手段、
１０…力やポテンシャルの計算手段、１１…遅延手段、
１２…第３のアドレス手段、２１…インターフェース、
２２…ホストコンピュータ1 ... First address means, 2 ... Address selection means, 3 ...
First coordinate storage means, 4 ... Distance calculation means, 5 ... Second coordinate storage means, 6 ... Comparison means, 7 ... Cutoff distance storage means, 8 ... Address storage means, 9 ... Second address means,
10 ... Force and potential calculation means, 11 ... Delay means,
12 ... Third address means, 21 ... Interface,
22 ... Host computer
───────────────────────────────────────────────────── 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 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Nobuaki Miyagawa 2274 Hongo, Ebina City, Kanagawa Prefecture Fuji Xerox Co., Ltd.
Claims (4)
る系の、特定粒子に働く力又はポテンシャルを、前記特
定粒子と該特定粒子以外の粒子との相互作用の総和とし
て計算する多体問題用計算装置において、 系に含まれる全ての粒子の座標を記憶する第１の座標記
憶手段と、 前記第１の座標記憶手段に順次粒子番号に対応するアド
レスを供給する第１のアドレス手段と、 前記特定粒子の座標を記憶する第２の座標記憶手段と、 前記第１の座標記憶手段から読み出された座標と前記第
２の座標記憶手段から読み出された前記特定粒子の座標
とから粒子間距離ｒを計算する手段と、 カットオフ距離ｒc を記憶する手段と、 粒子間距離ｒとカットオフ距離ｒc とを比較し、ｒがｒ
c よりも小さい時に書き込み信号を生成する手段と、 前記書き込み信号が供給された時に前記粒子番号を記憶
する粒子番号記憶手段と、 該粒子番号記憶手段にアドレスを供給する第２のアドレ
ス手段とを設け、 クーロン力或いはポテンシャルを計算する時に、特定粒
子から距離ｒc 以内にある粒子のリストを作り、ファン
デルワールス力或いはポテンシャルを計算する時には、
そのリストに記録されている粒子との間でのみ力或いは
ポテンシャルを計算するようにしたことを特徴とする多
体問題用計算装置。1. A force or potential acting on a specific particle in a system composed of N particles (N is an integer of 2 or more) is calculated as a sum of interactions between the specific particle and particles other than the specific particle. In a computer for a multi-body problem, a first coordinate storage means for storing coordinates of all particles included in the system, and a first address for sequentially supplying addresses corresponding to particle numbers to the first coordinate storage means. Means, second coordinate storage means for storing the coordinates of the specific particles, coordinates read from the first coordinate storage means, and coordinates of the specific particles read from the second coordinate storage means comparing means for calculating a distance between particles r, means for storing a cutoff distance r c, the inter-particle distance r and the cutoff distance r c from the, r is r
means for generating a write signal when the write signal is smaller than c ; particle number storage means for storing the particle number when the write signal is supplied; and second address means for supplying an address to the particle number storage means. When a Coulomb force or potential is calculated, a list of particles within a distance r c from a specific particle is created, and when van der Waals force or potential is calculated,
A computer for a many-body problem, wherein the force or potential is calculated only between particles recorded in the list.
る系の、特定粒子に働く力又はポテンシャルを、前記特
定粒子と該特定粒子以外の粒子との相互作用の総和とし
て計算する多体問題用計算装置において、 系に含まれる全ての粒子の座標を記憶する第１の座標記
憶手段と、 前記第１の座標記憶手段に順次粒子番号に対応するアド
レスを供給する第１のアドレス手段と、 前記特定粒子の座標を記憶する第２の座標記憶手段と、 前記第１の座標記憶手段から読み出された座標と前記第
２の座標記憶手段から読み出された前記特定粒子の座標
とから粒子間距離ｒの２乗ｒ2 を計算する手段と、 カットオフ距離ｒc の２乗ｒc 2 を記憶する手段と、 粒子間距離ｒの２乗ｒ2 とカットオフ距離ｒc の２乗ｒ
c 2 とを比較し、ｒ2がｒc 2 よりも小さい時に書き込
み信号を生成する手段と、 前記書き込み信号が供給された時に前記粒子番号を記憶
する粒子番号記憶手段と、 該粒子番号記憶手段にアドレスを供給する第２のアドレ
ス手段とを設け、 クーロン力或いはポテンシャルを計算する時に、特定粒
子から距離ｒc 以内にある粒子のリストを作り、ファン
デルワールス力或いはポテンシャルを計算する時には、
そのリストに記録されている粒子との間でのみ力或いは
ポテンシャルを計算するようにしたことを特徴とする多
体問題用計算装置。2. A force or potential acting on a specific particle in a system consisting of N particles (N is an integer of 2 or more) is calculated as a total sum of interactions between the specific particle and particles other than the specific particle. In a computer for a multi-body problem, a first coordinate storage means for storing coordinates of all particles included in the system, and a first address for sequentially supplying addresses corresponding to particle numbers to the first coordinate storage means. Means, second coordinate storage means for storing the coordinates of the specific particles, coordinates read from the first coordinate storage means, and coordinates of the specific particles read from the second coordinate storage means means for calculating the square r 2 of the inter-particle distance r from the, means for storing the square r c 2 cutoff distance r c, the square r 2 and the cutoff distance r c of inter-particle distance r Square r
c 2 and means for generating a write signal when r 2 is smaller than r c 2 , particle number storage means for storing the particle number when the write signal is supplied, and the particle number storage means When a Coulomb force or potential is calculated, a list of particles within a distance r c from a specific particle is created, and a Van der Waals force or potential is calculated,
A computer for a many-body problem, wherein the force or potential is calculated only between particles recorded in the list.
可能なホストコンピュータが更に設けられており、該ホ
ストコンピュータにより、クーロン力或いはポテンシャ
ル又は全ての粒子との間のファンデルワールス力或いは
ポテンシャルを計算する際に作られた近傍リストを読み
出して所定の記憶手段に格納し、該記憶手段に格納され
た近傍リストに従ってクーロン力或いはポテンシャル又
はファンデルワールス力或いはポテンシャルを計算でき
るようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２
記載の多体問題用計算装置。3. A host computer capable of reading and writing the content of the particle number storage means is further provided, and the host computer calculates Coulomb force or potential or van der Waals force or potential with all particles. The neighborhood list created at the time of reading is stored in a predetermined storage means, and the Coulomb force or the potential or the van der Waals force or the potential can be calculated according to the neighborhood list stored in the storage means. Claim 1 or Claim 2
Computing device for multibody problems as described.
る系の、特定粒子に働く力又はポテンシャルを、前記特
定粒子と該特定粒子以外の粒子との相互作用の総和とし
て計算する多体問題用計算方法において、 クーロン力或いはポテンシャルを計算するのと同時に、
前記特定粒子から所定距離以内にある粒子のリストを作
り、ファンデルワールス力或いはポテンシャルを計算す
る場合には、前記リストに記録されている粒子との間で
のみ力或いはポテンシャルを計算するようにしたことを
特徴とする多体問題用計算方法。4. A force or potential acting on a specific particle in a system composed of N particles (N is an integer of 2 or more) is calculated as a sum of interactions between the specific particle and particles other than the specific particle. In the calculation method for many-body problems, at the same time as calculating Coulomb force or potential,
When a list of particles within a predetermined distance from the specific particle is created and the van der Waals force or potential is calculated, the force or potential is calculated only with the particles recorded in the list. A calculation method for a multibody problem, which is characterized by the following.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1290893A JP3196909B2 (en) | 1993-01-28 | 1993-01-28 | Computer for many-body problems |
| US08/186,029 US5596511A (en) | 1993-01-27 | 1994-01-25 | Computing method and apparatus for a many-body problem |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1290893A JP3196909B2 (en) | 1993-01-28 | 1993-01-28 | Computer for many-body problems |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06231114A true JPH06231114A (en) | 1994-08-19 |
| JP3196909B2 JP3196909B2 (en) | 2001-08-06 |
Family
ID=11818461
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1290893A Expired - Fee Related JP3196909B2 (en) | 1993-01-27 | 1993-01-28 | Computer for many-body problems |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3196909B2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7468510B2 (en) | 2005-10-25 | 2008-12-23 | Nec Corporation | Speedup in coordinate difference calculation |
| US7587576B2 (en) | 2005-10-21 | 2009-09-08 | Nec Corporation | Parameter storing method, parameter storage device, multi-body problem processing apparatus, and address generator circuit |
| US7653498B2 (en) | 2005-10-31 | 2010-01-26 | Nec Corporation | Apparatus for and method of calculating many-body problem |
-
1993
- 1993-01-28 JP JP1290893A patent/JP3196909B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7587576B2 (en) | 2005-10-21 | 2009-09-08 | Nec Corporation | Parameter storing method, parameter storage device, multi-body problem processing apparatus, and address generator circuit |
| US7468510B2 (en) | 2005-10-25 | 2008-12-23 | Nec Corporation | Speedup in coordinate difference calculation |
| US7653498B2 (en) | 2005-10-31 | 2010-01-26 | Nec Corporation | Apparatus for and method of calculating many-body problem |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3196909B2 (en) | 2001-08-06 |
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