JPH1083389A - Computing system for analyzing molecular orbital and molecular orbital computing method - Google Patents

Computing system for analyzing molecular orbital and molecular orbital computing method

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JPH1083389A
JPH1083389A JP23882996A JP23882996A JPH1083389A JP H1083389 A JPH1083389 A JP H1083389A JP 23882996 A JP23882996 A JP 23882996A JP 23882996 A JP23882996 A JP 23882996A JP H1083389 A JPH1083389 A JP H1083389A
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JP
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calculation
computer
molecular orbital
vector
matrix
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JP23882996A
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Japanese (ja)
Inventor
Jiro Ushio
二郎 牛尾
Takuya Maruizumi
琢也 丸泉
Yoshiaki Takemura
佳昭 竹村
Schulti Juergen
シュルティ ユルゲン
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable the material prediction and pharmacological action prediction of after-mentioned material by enabling executing the computation of an abinitio molecular orbital by a realistic time and a computer resource. SOLUTION: A matrix element is computed by a computer cluster 1 consisting of plural mutually connected computers and the obtained matrix element is transferred to a vector computer 2 through a transmission line for connecting the vector computer 31 to execute the linear arithmetic of a matrix on the vector computer. At the time of computing the abinitio molecular orbital, 1-electronic integration, 2-electronic integration and Fock matrix element consisting of 1-electronic integration and 2-electronic integration with respect to a prescribed material are generated on the computer cluster 2 to transmit electronic integration data and Fock matrix element to the computer 2 through the computer cluster and the transmission line 31 to obtain the fixed value and the fixed vector of Fock matrix on the vector computer to output the molecular orbital energy and the wave function of the prescribed material.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、大規模行列の生成
および大規模行列の線形演算を中心とする科学技術計算
を高速に処理する計算システムに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a calculation system for performing high-speed scientific and technical calculations centering on the generation of large-scale matrices and the linear operation of large-scale matrices.

【0002】とくに本発明は、化学工業、製薬工業にお
いて材料物性予測、薬理作用予測などに頻繁に利用され
る分子軌道解析を処理、実行する分子軌道解析用計算シ
ステムに係わり、所与材料の1電子積分、2電子積分、
ならびにフォック行列要素の生成を複数の計算機からな
る計算機クラスタにより分散的に実行し、生成デ−タを
パイプライン機能を有するベクトル計算機に転送、ベク
トル計算機上でフォック行列の固有値と固有ベクトルを
求解し、所与材料の分子軌道エネルギと波動関数を高速
に解法できる分子軌道解析用計算システムおよび分子軌
道計算方法に関する。
In particular, the present invention relates to a calculation system for molecular orbital analysis which processes and executes molecular orbital analysis frequently used for predicting material properties and pharmacological action in the chemical and pharmaceutical industries. Electron integration, two electron integration,
In addition, the generation of Fock matrix elements is executed in a distributed manner by a computer cluster including a plurality of computers, the generated data is transferred to a vector computer having a pipeline function, and the eigenvalues and eigenvectors of the Fock matrix are solved on the vector computer. The present invention relates to a molecular orbital analysis calculation system and a molecular orbital calculation method capable of solving a molecular orbital energy and a wave function of a given material at high speed.

【0003】[0003]

【従来の技術】科学技術計算、たとえば分子軌道法およ
び有限要素法では行列の生成と行列の線形演算が処理の
中心である。このような科学技術計算の高速化のためパ
イプライン処理の可能なベクトル計算機が考案され、線
形演算はベクトル計算機上で従来の汎用計算機の10倍
から数十倍の高速化が可能となった。しかし行列の生成
(行列要素の計算)はベクトル計算機ではそれほど高速
化されない場合がある。とくにアブイニシオ分子軌道計
算では、計算時間の約80%を占めるフォック行列要素
の計算時間が汎用計算機の約70%割程度に短くなるだ
けで、ベクトル計算機の効果はほとんどなかった。
2. Description of the Related Art In scientific and technical calculations, such as the molecular orbital method and the finite element method, matrix generation and matrix linear operation are central to processing. A vector computer capable of pipeline processing has been devised in order to speed up such scientific and technical calculations, and the speed of linear operation can be increased by 10 to tens of times on a vector computer as compared with a conventional general-purpose computer. However, generation of a matrix (calculation of a matrix element) may not be accelerated so much by a vector computer. In particular, in the ab initio molecular orbital calculation, the calculation time of the Fock matrix element occupying about 80% of the calculation time is reduced to about 70% of that of the general-purpose computer, but the effect of the vector computer is hardly obtained.

【0004】一方、並列計算機あるいは計算機クラスタ
によれば行列要素の計算はその構成プロセッサ数に応じ
て加速されることが明かになった。 たとえばアブイニ
シオ分子軌道計算を並列化して計算機クラスタ上で実行
する場合、フォック行列要素の計算はクラスタを構成す
る計算機の台数にある程度比例して加速されることが、
ジャーナル オブ コンピューテイショナル ケミスト
リ、第14巻、第11号(1993年)第1347頁か
ら第1363頁(Journal of Computational Chemistry,
Vol. 14, No. 11 (1993) PP.1347-1363)に示されてい
る。すなわち所望の計算時間内で行列要素の計算を終わ
らせたい場合には、それに応じて計算機クラスタを構成
する計算機を増やせばよい。その場合、フォック行列の
固有値および固有ベクトルの求解は並列計算機用の密対
称行列対角化アルゴリズムにすぐれたものがないため、
計算機クラスタ(並列計算機)による大規模系分子軌道
計算の高速化の障害となっていた。
On the other hand, it has been clarified that the calculation of matrix elements is accelerated according to the number of constituent processors according to a parallel computer or a computer cluster. For example, when parallelizing the ab initio molecular orbital calculation and executing it on a computer cluster, the calculation of the Fock matrix element is accelerated to some extent in proportion to the number of computers constituting the cluster.
Journal of Computational Chemistry, Vol. 14, No. 11 (1993), pp. 1347 to 1363 (Journal of Computational Chemistry,
Vol. 14, No. 11 (1993) PP.1347-1363). That is, if it is desired to complete the calculation of the matrix elements within a desired calculation time, the number of computers constituting the computer cluster may be increased accordingly. In that case, the solution of the eigenvalues and eigenvectors of the Fock matrix is not excellent in dense symmetric matrix diagonalization algorithms for parallel computers,
This has been an obstacle to speeding up large-scale molecular orbital calculations using computer clusters (parallel computers).

【0005】計算機クラスタ上で行列対角化を高速に行
うアルゴリズムとして、特願平1-295417にハウスホルダ
変換のアルゴリズムが報告されている。しかしハウスホ
ルダ変換は数千次元までの大きさの行列の固有値および
固有ベクトルの求解には使えるが、数万次元を越える行
列の計算では計算機クラスタを構成する計算機間の通信
オーバヘッドが大きくなり実用的でなくなる。化学工
業、製薬工業において材料物性予測、薬理作用予測が望
まれる解析対象の系は、原子数で数千個で分子軌道計算
におけるフォック行列の大きさは数万次元になる。数万
次元以上の行列の固有値および固有ベクトルは、ベクト
ル計算機上で同時逆反復法により求めるのが好ましいこ
とが一般に知られている(村田健郎、小国 力、唐木幸
比古 著、スーパーコンピュータ、科学技術計算への適
用、丸善、(1986年)、第154頁から第171
頁)。
[0005] As an algorithm for performing matrix diagonalization at high speed on a computer cluster, Japanese Patent Application No. 1-295417 reports an algorithm of Householder transformation. However, the Householder transform can be used to solve eigenvalues and eigenvectors of matrices up to several thousand dimensions.However, in the calculation of matrices exceeding tens of thousands of dimensions, the communication overhead between the computers constituting the computer cluster increases, and it is practical. Disappears. In the chemical and pharmaceutical industries, the analysis target system for which material property prediction and pharmacological action prediction are desired is thousands of atoms, and the size of the Fock matrix in molecular orbital calculation is tens of thousands. It is generally known that eigenvalues and eigenvectors of matrices of tens of thousands or more are preferably obtained by a simultaneous inverse iteration method on a vector computer (Takeo Murata, Riki Oguni, Koichi Karaki, supercomputer, science and technology) Application to Calculation, Maruzen (1986), pp. 154 to 171
page).

【0006】また、科学技術計算と計算機システムの関
係についてはたとえば特願平3-167672に陽解法および陰
解法からなる数値演算の場合、次の2つの速度向上法が
示されている。(1)陽解法部分をベクトル計算機で行
い、陰解法部分を複数個の並列プロセッサで処理する。
(2)陽解法部分および陰解法部分ともに複数個の並列
プロセッサで処理する。上記公知例では、(1)に関し
てベクトル計算機と並列プロセッサ(並列計算機)の具
体的な接続法についてはふれておらず、高価なベクトル
計算機を必要とするうえにベクトル計算機と並列プロセ
ッサの間でのデータ再配分が必要なため、通信処理オー
バヘッドが速度向上を阻害する可能性があると結論し、
(2)による高速化法のみを述べている。
[0006] Regarding the relationship between scientific and technological calculations and computer systems, for example, Japanese Patent Application No. 3-167672 discloses the following two speed-up methods in the case of numerical operations comprising explicit and implicit methods. (1) The explicit part is performed by a vector computer, and the implicit part is processed by a plurality of parallel processors.
(2) Both the explicit part and the implicit part are processed by a plurality of parallel processors. In the above-mentioned known example, a specific connection method between the vector computer and the parallel processor (parallel computer) is not described with respect to (1), and an expensive vector computer is required. We concluded that data processing needs to be redistributed and communication processing overhead could hinder speedups.
Only the speedup method according to (2) is described.

【0007】以下に科学技術計算の例として、とくに材
料物性予測に広く利用されている分子軌道解析について
詳細に述べる。分子軌道解析では一般的に図1に示され
る計算処理フロ−で分子軌道と付随する物性値が計算さ
れる。これらの具体的な計算方法はたとえば、アブイニ
シオモレキュラ−オ−ビタルセオリ[HEHRE et al ,AB
INITIO MOLECULAR ORBITAL THEORY; Wiley-Interscienc
e、1986年発行]をはじめとする量子化学教科書に詳し
く説明されているが、本発明に関連する部分について簡
単に説明する。分子軌道計算はまず、分子形状、具体的
には分子内の原子種と原子座標の入力で始まる。そして
分子全体の波動関数を構成する分子軌道とよばれる一粒
子波動関数|Y>は各原子軌道|Xj>の線形和として(1)
式の通り展開される。これは図1で’基底関数指定’と
記したステップに相当する。
[0007] As an example of scientific and technical calculations, molecular orbital analysis, which is widely used for predicting material properties, will be described in detail below. In molecular orbital analysis, molecular orbitals and associated physical property values are generally calculated by a calculation process flow shown in FIG. These specific calculation methods are described in, for example, Abu Initio Molecular-Obital Seoli [HEHRE et al, AB
INITIO MOLECULAR ORBITAL THEORY; Wiley-Interscienc
e, published in 1986], and other textbooks related to the present invention. The molecular orbital calculation starts with the input of the molecular shape, specifically, the atomic species and atomic coordinates in the molecule. The one-particle wave function | Y> called the molecular orbital that constitutes the wave function of the whole molecule is the linear sum of each atomic orbital | Xj> (1)
It is expanded according to the formula. This corresponds to the step labeled "designate basis function" in FIG.

【0008】 |Y>= ΣCj |Xj> (j = 1, 2, 3, ..., n) (1) ただしnは計算で用いる原子軌道の総数である。この展
開係数 Cjを自己無憧着的に求める手順がアブイニシオ
分子軌道計算の本質である。この際必要となる処理は、
図1に示した流れ図のとおり、電子積分計算ステップ、
初期ベクトル計算ステップ、SCF方程式計算ステップ
よりなる。最後のステップで化学結合、電荷分布をはじ
めとする物性値を計算し分子軌道計算は終了する。
| Y> = ΣCj | Xj> (j = 1, 2, 3,..., N) (1) where n is the total number of atomic orbitals used in the calculation. The procedure for calculating the expansion coefficient Cj in a self-adhesive manner is the essence of ab initio molecular orbital calculation. The processing required in this case is
As shown in the flowchart of FIG. 1, an electron integration calculation step,
It comprises an initial vector calculation step and an SCF equation calculation step. In the last step, the physical properties such as chemical bond and charge distribution are calculated, and the molecular orbital calculation is completed.

【0009】従来の分子軌道計算では図1に示した一連
のステップを単一計算機上で処理するのが通例である。
電子積分計算ステップとして1電子積分計算、2電子積
分計算の双方が計算され、高速メモリに記録、保存され
る。まず、1電子積分は(2)、(3)式で示されるコ
ア積分Huvと重なり積分Suvの2種である。
In the conventional molecular orbital calculation, a series of steps shown in FIG. 1 is generally processed on a single computer.
As the electron integration calculation step, both one electron integration calculation and two electron integration calculation are calculated and recorded and stored in the high-speed memory. First, the one-electron integral is a core integral Huv and an overlap integral Suv represented by the equations (2) and (3).

【0010】 Huv = <Xu | Hcore | Xv > (2) Suv = <Xu | Xv> (3) ただし Hcoreは電子が他電子の影響を全く受けずに分子
内を運動するときのハミルトニアンである。またブラケ
ット表示<| > は量子力学計算で通常利用されるもの
と同様である。
Hv = <Xu | Hcore | Xv> (2) Suv = <Xu | Xv> (3) However, Hcore is a Hamiltonian when an electron moves in a molecule without being influenced by other electrons at all. The bracket notation <|> is the same as that usually used in quantum mechanical calculations.

【0011】次に2電子積分は(4) 式で示される2
電子反発積分(uv|ds)である。
Next, the two-electron integral is given by the following equation (4).
The electron repulsion integral (uv | ds).

【0012】 (uv|ds)=<Xu(1)Xd(2)| 1/ R12 | Xv(1)Xs(2)> (4) ただしR12は電子1と電子2との距離を示す。(Uv | ds) = <Xu (1) Xd (2) | 1 / R12 | Xv (1) Xs (2)> (4) where R12 indicates the distance between electron 1 and electron 2.

【0013】(2)、(3)式で示した1電子積分の個
数は原子軌道総数の自乗個程度であるのに反し、(4)
式の2電子反発積分の個数は原子軌道総数の4乗に比例
して増加する。たとえば原子軌道総数を61に設定した
SiH2C2H4分子では2電子積分の個数は1,800,000程度と
なり、倍精度積分計算で結果を高速メモリに保存するに
は15MB程度の容量が必要となる。また積分計算に必要
となるCPU時間は一般的なメインフレ−ム計算機、た
とえば日立M880計算機を利用するとき、10秒程度
のCPU時間が必要となる。一般に化学工業、製薬工業
において扱われる分子はSiH2C2H4のように簡単な分子で
はなく、この数倍から数十倍の大きさをもつ。たとえば
10倍とすれば、150GBもの大容量が必要となり、半
導体メモリでは勿論のこと、磁気デイスクメモリを利用
して保存することも不可能となる。また積分計算に必要
となるCPU時間もまた原子軌道総数の4乗に比例して
増加するため、約30時間ものCPU時間が必要とな
り、積分計算値の入出力に要するI/O時間まで考慮す
るとこの10倍以上もの処理時間がかかり、単一の分子
軌道計算で10日間もの時間を要することとなる。以上
の説明から容易に理解されるとおり、単一計算機を用
い、積分計算値を高速メモリ上に保存、演算する従来の
分子軌道計算では化学工業、製薬工業で日常用いられる
分子の分子軌道解析が不可能であるという問題があっ
た。
The number of one-electron integrals represented by the equations (2) and (3) is about the square of the total number of atomic orbitals, whereas (4)
The number of two-electron repulsion integrals in the equation increases in proportion to the fourth power of the total number of atomic orbitals. For example, set the total number of atomic orbitals to 61
In the SiH2C2H4 molecule, the number of two-electron integration is about 1,800,000, and a capacity of about 15 MB is required to store the result in the high-speed memory by the double-precision integration calculation. The CPU time required for the integral calculation requires about 10 seconds when a general mainframe computer, for example, a Hitachi M880 computer is used. In general, molecules handled in the chemical and pharmaceutical industries are not simple molecules such as SiH2C2H4, but have a size several to several tens of times larger. For example, if it is 10 times, a large capacity of 150 GB is required, and it is impossible to store the data by using a magnetic disk memory as well as a semiconductor memory. In addition, since the CPU time required for the integral calculation also increases in proportion to the fourth power of the total number of atomic orbitals, about 30 hours of CPU time is required. Considering the I / O time required for inputting and outputting the integral calculation value, It takes 10 times or more the processing time, and it takes 10 days for a single molecular orbital calculation. As can be easily understood from the above description, the conventional molecular orbital calculation that uses a single computer to store and calculate integral calculation values in a high-speed memory involves molecular orbital analysis of molecules that are commonly used in the chemical and pharmaceutical industries. There was a problem that was impossible.

【0014】さて、実際の分子軌道解析では電子積分計
算のあと、引き続きSCF(Self Consistent Field)方程式
を解き、(1)式で示した展開係数Cj を求め分子軌道
を決定する計算処理が必要である。このステップは以下
のとおり行われる。
Now, in the actual molecular orbital analysis, after the electron integral calculation, a calculation process for solving the SCF (Self Consistent Field) equation and calculating the expansion coefficient Cj shown in the equation (1) to determine the molecular orbital is necessary. is there. This step is performed as follows.

【0015】まず、電子積分計算のステップで計算、保
存されている1電子積分、2電子積分の値を用い(5)
式で示されるフォック行列要素Fuvを計算する。
First, the values of the one-electron integral and the two-electron integral calculated and stored in the electron integral calculation step are used (5).
The Fock matrix element Fuv represented by the equation is calculated.

【0016】 Fuv = Huv + ΣΣPds [ (uv|ds) - 0.25(ud|vs) - 0.25(us|vd) ] (5) ただし、Pdsは原子軌道総数の次元をもつ正方行列Pの
要素を示し各原子軌道の電子密度に対応することからP
は密度行列と呼ばれる。具体的には(6)式のとおり与
えられる。
Fuv = Huv + ΣΣPds [(uv | ds) −0.25 (ud | vs) −0.25 (us | vd)] (5) where Pds represents an element of a square matrix P having a dimension of the total number of atomic orbitals. Since it corresponds to the electron density of each atomic orbital,
Is called the density matrix. Specifically, it is given as in equation (6).

【0017】 Pds = 2 ΣCdi * Csi (i=1,2, ..., N) (6) ただし、iに関する総和は占有分子軌道Nまでとる。計算
の初期では分子軌道、すなわちCdi 等に適当な初期値
を仮定して(6)、(5)式によりフォック行列を求め
ることとなる。初期値としてはヒュッケル法など経験的
分子軌道法、あるいはMINDO法とよばれる半経験的分子
軌道法にもとづく展開係数がよく用いられる。図1で初
期ベクトル計算と示したステップがこれに相当する。
Pds = 2ΣCdi * Csi (i = 1, 2,..., N) (6) However, the sum regarding i is taken up to the occupied molecular orbital N. At the beginning of the calculation, the Fock matrix is obtained by the equations (6) and (5), assuming appropriate initial values for the molecular orbitals, ie, Cdi and the like. As the initial value, an expansion coefficient based on an empirical molecular orbital method such as the Huckel method or a semi-empirical molecular orbital method called the MINDO method is often used. The step shown as initial vector calculation in FIG. 1 corresponds to this.

【0018】次にこのフォック行列Fと先に求めた重な
り積分Sよりなる行列方程式(7)を解く。
Next, a matrix equation (7) consisting of the Fock matrix F and the overlap integral S obtained above is solved.

【0019】 Σv(Fuv −eiSuv)Cvi=0 u=1,2,3,....., n (7) これによりN個の占有分子軌道を含む全部でn個の分子軌
道|Yi>の軌道エネルギと展開係数の候補としてeiと
Cviが得られる。ここでN個の占有分子軌道だけでな
く、(n-N)個の空分子軌道も求めるのは、SCF方程式の求
解を加速するため、あるいは分子の物性を計算するため
に空分子軌道の展開係数が必要だからである。N個の占
有分子軌道の展開係数を用い再度(6)、(7)式によ
り密度行列、ならびに軌道エネルギを繰り返し計算し変
化がある規定値より小さくなった時点で収束したとみな
し計算を終了する。
Σv (Fuv−eiSuv) Cvi = 0 u = 1, 2, 3,..., N (7) Thus, a total of n molecular orbitals including N occupied molecular orbitals | Yi> Ei and Cvi are obtained as candidates for the orbital energy and the expansion coefficient of. Here, not only the N occupied molecular orbitals but also the (nN) empty molecular orbitals are obtained because the expansion coefficient of the empty molecular orbital is calculated to accelerate the solution of the SCF equation or to calculate the physical properties of the molecule. Because it is necessary. Using the expansion coefficients of the N occupied molecular orbitals, the density matrix and the orbital energy are repeatedly calculated by the equations (6) and (7), and when the change becomes smaller than a specified value, the calculation is considered to have converged and the calculation is terminated. .

【0020】このステップが図1でSCF方程式計算と
示したステップに相当する。軌道エネルギーeiに対応
する分子軌道|Yi>は(8)式のとおりとなり、この
分子軌道を用いて材料の結合性、電荷分布、そのほかの
材料物性を求めて分子軌道計算は完了する。
This step corresponds to the step shown as SCF equation calculation in FIG. The molecular orbital | Yi> corresponding to the orbital energy ei is as shown in the equation (8), and the molecular orbital calculation is completed by using this molecular orbital to determine the binding property, charge distribution and other physical properties of the material.

【0021】 |Yi>=Σ|Xj>Cji (8) 以上、述べたフォック行列より分子軌道を求めるステッ
プでは(7)式で書かれる線形方程式を密度行列が収束
するまで多数回繰り返し解く必要がある。通常の分子軌
道計算では数十回から数百回この計算を繰り返さなけれ
ば密度行列は収束しない。線形方程式を解く時間は原子
軌道総数の3乗におよそ比例して増加するため、化学工
業や製薬工業で扱われる分子に対しては先に述べた電子
積分計算すなわちフォック行列要素の計算の時間の増加
に加え、さらに線形方程式解法に要する時間も増加す
る。
| Yi> = Σ | Xj> Cji (8) As described above, in the step of obtaining the molecular orbital from the Fock matrix, it is necessary to repeatedly solve the linear equation described by the equation (7) until the density matrix converges many times. is there. In ordinary molecular orbital calculations, the density matrix does not converge unless this calculation is repeated several tens to several hundred times. Since the time to solve the linear equation increases approximately in proportion to the cube of the total number of atomic orbitals, for the molecules handled in the chemical and pharmaceutical industries, the above-mentioned electronic integration calculation, that is, the calculation time of the Fock matrix element In addition to the increase, the time required for solving the linear equation also increases.

【0022】上記アブイニシオ分子軌道計算と同様に、
行列要素計算に必要なデータ量および計算時間ならびに
行列の線形演算の計算時間が、解くべき系の大きさの3
乗あるいは4乗に比例して急激に増加するという現象
は、有限要素法など他の材料シミュレーションあるいは
科学技術計算においても発生する。
As in the above-mentioned ab initio molecular orbital calculation,
The amount of data and calculation time required for matrix element calculation and the calculation time for linear operation of the matrix are 3 times the size of the system to be solved.
The phenomenon of a sharp increase in proportion to the power or the fourth power also occurs in other material simulations such as the finite element method or in scientific and technical calculations.

【0023】[0023]

【発明が解決しようする課題】以上述べたように、分子
軌道計算や他の科学技術計算のデータ量および計算時間
が計算対象である系の大きさとともに急激に増加するた
め、実際に使用される材料や薬品のような大規模系の計
算機シミュレーションはこれまで不可能であった。しか
し近年、新製品開発の期間短縮が市場で優位となるため
の必要条件との認識が高まり、計算機シミュレーション
による予測で新規材料あるいは薬品の開発期間短縮を達
成するため、大規模系の科学技術計算の実現が大きな課
題となっている。
As described above, since the amount of data and the calculation time for molecular orbital calculations and other scientific and technical calculations rapidly increase with the size of the system to be calculated, they are actually used. Computer simulation of large-scale systems such as materials and chemicals has not been possible until now. However, in recent years, the recognition that the shortening of new product development time is a necessary condition for the market to become dominant has been increasing, and large-scale scientific and technical Has become a major issue.

【0024】本発明の第一の目的は、現実的な計算時間
と計算機資源により大規模系の科学技術計算を実行し、
新製品、新規な材料あるいは薬品の開発過程に計算機シ
ミュレーションを適用して開発期間の短縮を可能とする
計算機システムを提供することにある。とくに化学工業
や製薬工業で扱われる分子に対して、現実的な時間と計
算機資源によりアブイニシオ分子軌道計算を実行し、分
子の材料物性予測や薬理作用予測を可能にする分子軌道
解析用計算システムを提供することにある。
A first object of the present invention is to execute a large-scale scientific and technical calculation with a realistic calculation time and computer resources,
It is an object of the present invention to provide a computer system capable of shortening a development period by applying a computer simulation to a development process of a new product, a new material or a medicine. In particular, a molecular orbital analysis system that performs ab initio molecular orbital calculations with realistic time and computer resources for molecules handled in the chemical and pharmaceutical industries, and enables prediction of material properties and pharmacological effects of molecules. To provide.

【0025】本発明の第二の目的は、計算機クラスタと
ベクトル計算機を併用するアブイニシオ分子軌道計算に
おいて、計算機クラスタとベクトル計算機が同時に並行
して計算処理を行うことで、計算時間の短縮と計算機資
源の効率的な利用を可能にする計算アルゴリズムを提供
することにある。
A second object of the present invention is to reduce computation time and reduce computer resources by simultaneously and concurrently performing computation processing in an ab initio molecular orbital calculation using both a computer cluster and a vector computer. It is an object of the present invention to provide a calculation algorithm which enables efficient use of a program.

【0026】[0026]

【課題を解決するための手段】上記第一の目的は、行列
要素の計算を計算機クラスタ(並列計算機)で行い、そ
の計算結果をベクトル計算機に転送し、行列の線形演算
をベクトル計算機上で行うことにより達成される。計算
方法によっては計算機クラスタとベクトル計算機間のデ
ータ転送の通信オーバヘッドが大きくなるが、その場合
でも計算機クラスタとベクトル計算機の間を通常のネッ
トワークを介さずにチャネルで直結することにより、全
体の計算時間を増やさずにすむ。とくにアブイニシオ分
子軌道計算についての上記第一の目的は、所与の材料に
対する1電子積分、2電子積分、ならびに該1電子積
分、該2電子積分より構成されるフォック行列要素の生
成機能を有する相互に接続された複数の計算機からなる
計算機クラスタ、該計算機クラスタが生成する該1電子
積分の一部、ならびにフォック行列因子をパイプライン
処理機能を有するベクトル計算機に転送する通信手段、
該通信手段を介し転送された該1電子積分の一部、なら
びにフォック行列因子よりフォック行列を生成し、該フ
ォック行列の固有値と固有ベクトルを求解、所与材料の
分子軌道エネルギーと波動関数を出力するベクトル計算
機から構成される分子軌道解析用計算システムを用いる
ことにより達成される。
A first object of the present invention is to calculate a matrix element in a computer cluster (parallel computer), transfer the calculation result to a vector computer, and perform a linear operation of the matrix on the vector computer. This is achieved by: Depending on the calculation method, the communication overhead of data transfer between the computer cluster and the vector computer becomes large, but even in that case, the total calculation time is obtained by directly connecting the computer cluster and the vector computer via a channel without passing through a normal network. Need not be increased. In particular, the first object of the ab initio molecular orbital calculation is to provide a one-electron integral, a two-electron integral and a Fock matrix element composed of the one-electron integral and the two-electron integral for a given material. A computer cluster consisting of a plurality of computers connected to the computer cluster, a part of the one-electron integral generated by the computer cluster, and communication means for transferring a Fock matrix factor to a vector computer having a pipeline processing function;
A Fock matrix is generated from a part of the one-electron integral transferred via the communication means and a Fock matrix factor, eigenvalues and eigenvectors of the Fock matrix are determined, and a molecular orbital energy and a wave function of a given material are output. This is achieved by using a computer system for molecular orbital analysis composed of a vector computer.

【0027】また、上記第一の目的は、計算機クラスタ
生成デ−タをベクトル計算機に転送する通信手段が、該
ベクトル計算機の主記憶装置に直結する入出力チャネル
装置であるよう構成することにより、より効果的に達成
される。
The first object is that the communication means for transferring the computer cluster generation data to the vector computer is an input / output channel device directly connected to the main storage of the vector computer. Achieved more effectively.

【0028】また、上記第一の目的は、該計算機クラス
タをパ−ソナルコンピュ−タとワ−クステ−ションの任
意の組み合わせで構成することにより、より効果的に達
成される。
Further, the first object can be more effectively achieved by configuring the computer cluster by an arbitrary combination of a personal computer and a work station.

【0029】上記第二の目的は、ベクトル計算機上にお
けるフォック行列の固有値および固有ベクトルの求解の
過程において、占有分子軌道にあたる固有ベクトルがす
べて求まった時点で密度行列を作成し計算機クラスタに
転送後、ベクトル計算機上で引き続き空分子軌道にあた
る固有ベクトルの求解を続ける一方、計算機クラスタ上
で転送された密度行列を用いて新しいフォック行列要素
の計算を開始することにより達成される。この処理の流
れを図2に示す。図2の処理(6)(7)(8)はベク
トル計算機上で行なわれる。処理(8)で密度行列が収
束していないと判断されると密度行列は計算機クラスタ
に転送され、計算機クラスタ上で処理(4)(5)が開
始される。その間ベクトル計算機上では処理(9)が行
なわれ、決定された空分子軌道は処理(5)で収束加速
のため用いられる。これらの処理が密度行列が収束する
まで(処理(8)でYesと判定されるまで)繰り返され
る。
The second object is to create a density matrix at the time when all the eigenvectors corresponding to the occupied molecular orbitals are obtained in the process of solving the eigenvalues and eigenvectors of the Fock matrix on the vector computer, transfer the density matrix to the computer cluster, and then transfer the vector to the computer cluster. This is achieved by continuing calculation of eigenvectors corresponding to empty molecular orbitals while continuing to calculate new Fock matrix elements using the density matrix transferred on the computer cluster. FIG. 2 shows the flow of this processing. The processes (6), (7), and (8) in FIG. 2 are performed on a vector computer. If it is determined in the process (8) that the density matrix has not converged, the density matrix is transferred to the computer cluster, and the processes (4) and (5) are started on the computer cluster. In the meantime, the processing (9) is performed on the vector computer, and the determined empty molecular orbital is used for the convergence acceleration in the processing (5). These processes are repeated until the density matrix converges (until Yes is determined in process (8)).

【0030】本発明によれば、科学技術計算における行
列要素の計算は計算機クラスタ上の並列処理により高速
化され、行列の線形演算はベクトル計算機上のパイプラ
イン処理により高速化されるため、全体の計算時間が大
幅に短縮される。たとえば分子軌道計算の際、必要とな
る所与の材料に対する1電子積分、2電子積分、ならび
に該1電子積分、該2電子積分より構成されるフォック
行列要素の生成を相互に接続された複数の計算機からな
る計算機クラスタにより分散実行させ、生成電子積分、
ならびにフォック行列要素をベクトル計算機に転送、フ
ォック行列の固有値と固有ベクトルの求解に必要となる
線形計算をベクトル計算機上で実行することにより化学
工業や製薬工業で扱われる分子に対して、現実的な時間
と計算機資源によるアブイニシオ分子軌道計算実行を可
能とし、ひいてはこれら材料の材料物性予測や薬理作用
予測が可能となる。
According to the present invention, the calculation of matrix elements in scientific and technical calculations is accelerated by parallel processing on a computer cluster, and the linear operation of a matrix is accelerated by pipeline processing on a vector computer. Calculation time is greatly reduced. For example, in a molecular orbital calculation, a plurality of interconnected one-electron integrals and two-electron integrals for a given material to be generated and a Fock matrix element composed of the one-electron integrals and the two-electron integrals are generated. Distributed execution by a computer cluster consisting of computers, generated electron integration,
In addition, the Fock matrix elements are transferred to the vector computer, and the linear calculation required for solving the eigenvalues and eigenvectors of the Fock matrix is performed on the vector computer, thereby realizing a realistic time for molecules handled in the chemical and pharmaceutical industries. And computer resources to execute the ab initio molecular orbital calculation, and thus the prediction of material properties and pharmacological action of these materials.

【0031】また本発明によれば、アブイニシオ分子軌
道計算において、密度行列の収束まで少なくとも数十回
は繰り返されるSCF計算、すなわちフォック行列要素の
計算処理とフォック行列の固有値および固有ベクトルの
求解処理の一部を計算機クラスタとベクトル計算機で並
行して実行できるため、さらに計算時間を短縮できる。
この効果は分子軌道の展開に用いる基底関数の質が高い
ほど大きくなる。これは基底関数の数が多いほど空分子
軌道の数が増えるためである。
According to the present invention, in the ab initio molecular orbital calculation, the SCF calculation repeated at least several tens of times until the convergence of the density matrix, that is, the calculation processing of the Fock matrix elements and the calculation processing of the eigenvalues and eigenvectors of the Fock matrix are performed. Since the units can be executed in parallel by the computer cluster and the vector computer, the calculation time can be further reduced.
This effect increases as the quality of the basis set used for expanding the molecular orbital increases. This is because the number of empty molecular orbitals increases as the number of basis functions increases.

【0032】[0032]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について図
面を用いて説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0033】図3は本発明による分子軌道解析用計算シ
ステムの一実施例の全体構成図である。計算機11、1
2、13、14、15、16より構成される計算機クラ
スタ1が計算機クラスタ、ベクトル計算機接続用伝送線
31を介してベクトル計算機2に接続される構成となっ
ている。計算機クラスタ1は6台の計算機11、12、
13、14、15、16により構成され、相互に計算機
クラスタ内接続線30により相互接続されている。本実
施例では、計算機11、12、13、14、15、16
にIntel486DX4プロセッサをクロック周波数
100MHzで動作させたパ−ソナルコンピュ−タを用
いた。パ−ソナルコンピュ−タのOSにはUNIXを設
定した。またベクトル計算機2には日立S810モデル
20を用いた。同計算機は143MFLOPSのパイプ
ライン演算機を4並列したベクトル計算機である。次に
計算機クラスタ内接続線30並びにベクトル計算機接続
用伝送線31には現在LAN用通信線とし頻繁に利用さ
れているイ−サネットを利用し通信プロトコルとしてT
CP/IPを用いパ−ソナルコンピュ−タ間、並びに計
算機クラスタ、ベクトル計算機間のデ−タ通信を行っ
た。本実施例では6台の計算機により計算機クラスタ1
を構成したが、計算機間の通信にパケット衝突などの問
題が発生しない限り、特に台数に関する制約は無い。
FIG. 3 is an overall configuration diagram of an embodiment of a calculation system for molecular orbital analysis according to the present invention. Computers 11, 1
A computer cluster 1 composed of 2, 13, 14, 15, and 16 is connected to the vector computer 2 via a computer cluster / vector computer connection transmission line 31. The computer cluster 1 includes six computers 11, 12,
13, 14, 15, and 16, and are interconnected by a computer cluster connection line 30. In the present embodiment, the computers 11, 12, 13, 14, 15, 16
A personal computer in which an Intel 486DX4 processor was operated at a clock frequency of 100 MHz was used. UNIX was set as the OS of the personal computer. The vector computer 2 used was a Hitachi S810 model 20. This computer is a vector computer in which four 143 MFLOPS pipeline processors are arranged in parallel. Next, for the connection line 30 in the computer cluster and the transmission line 31 for the vector computer connection, Ethernet which is frequently used as a communication line for LAN at present is used, and T is used as a communication protocol.
Data communication was performed between personal computers and between computer clusters and vector computers using CP / IP. In this embodiment, a computer cluster 1 is constituted by six computers.
However, as long as there is no problem such as packet collision in communication between computers, there is no particular limitation on the number of computers.

【0034】さて、次に本実施例による具体的な分子軌
道計算について述べる。分子軌道計算にはGAMES
S、Gaussianを初めとする流通ソフトウエアを
利用する(これらの詳細は例えば、アブイニシオモレキ
ュラ−オ−ビタルセオリ[HEHRE et al , AB INITIO MO
LECULAR ORBITAL THEORY; Wiley-Interscience、1986年
発行]などの量子化学の教科書で解説されている)。計
算機クラスタ1を構成する各計算機、並びにベクトル計
算機2にはあらかじめこれらプログラムを実行可能な形
態でインスト−ルしておく。
Next, specific calculation of molecular orbitals according to the present embodiment will be described. GAMES for molecular orbital calculations
S, using distribution software such as Gaussian (for details, see, for example, Abu Inishio Molecular-Obitarseori [HEHRE et al, AB INITIO MO
LECULAR ORBITAL THEORY; Wiley-Interscience, published in 1986] and other textbooks on quantum chemistry). The programs constituting the computer cluster 1 and the vector computer 2 are installed in advance in such a manner that they can be executed.

【0035】分子軌道計算の具体的な手順は図1に示し
た通りであるため、本発明に関連する部分についていく
ぶん詳しく述べる。
Since the specific procedure of the molecular orbital calculation is as shown in FIG. 1, a part related to the present invention will be described in some detail.

【0036】まず所与の材料の構造、たとえば分子の場
合にはその分子ジオメトリの入力、分子対称性、基底関
数などを入力する。多くの場合、利用する分子軌道計算
プログラムに固有な入力フォ−マットで関連デ−タを入
力することとなるが、これには計算機クラスタ1を構成
するパ−ソナルコンピュ−タのいずれか1つにViなど
のエデイタを用いて入力すればよい。分子軌道計算シス
テムに入力された基底関数は所与材料を構成する各原子
上に中心を持つ原子軌道関数である。この原子軌道関数
に対して、(2)、(3)、(4)式で示した1電子積
分、2電子反発積分の計算が必要となるが、このうち計
算量の最も多いものは2電子反発積分(uv|ds)であ
る。本分子軌道解析用計算システムではこの積分計算が
計算機クラスタを構成する各パーソナルコンピュ−タ上
で分散処理される。分散は各パーソナルコンピュ−タへ
の負荷が均等になるように調節される。具体的には、所
与材料の全原子軌道に対する2電子積分インデックス
(ijkl)が各パーソナルコンピュ−タに均等分配さ
れ、対応する2電子積分(ij|kl)が各パーソナルコン
ピュ−タ上で別個に計算処理される。もちろん(ij|k
l)と全く同じ値を持つ(kl|ij) などは当然一回のみ
計算されるよう重複が避けられる。本分散処理は計算機
クラスタを構成するいずれか一つの計算機がマスタとな
り2電子積分インデックス(ijkl)分配を行えば容
易に達成できる。このように生成された2電子積分は伝
送線31を介してベクトル計算機2に転送され(5)式
で表わされるフォック行列要素Fuvが計算される。次に
(7)式で表わされる線形固有値方程式の解法がベクト
ル計算機上で反復され、分子軌道と軌道エネルギが求め
られる。この処理は先に述べた電子積分計算と異なり、
前段階の密度行列を入力として固有ベクトルと固有値を
順次求めて行くため、複数計算機に分散処理させていて
は通信ラグなどより、非常に効率のわるいものとなり、
単独計算機上での処理となる。このフォック行列の固有
値問題を解く処理は勿論計算機クラスタを構成するパー
ソナルコンピュ−タ上で行う事も可能であるが、一般に
パーソナルコンピュ−タでは逐次処理による数値演算し
か行えず、いわゆる行列演算に関するパイプライン処理
ができないため、解法に多大の時間が必要となってしま
う。一方、ベクトル計算機2によれば行列固有値をパイ
プライン処理演算により高速に求めることができ分子軌
道とエネルギを効率的に求めることが可能となる。ベク
トル計算機による高速演算にていては例えば”ス−パコ
ンピュ−タ(日本物理学会編、培風館発行、198
5)”などの数値計算法を解説した教科書に詳しく述べ
られているのでここでは改めて説明しない。
First, the structure of a given material, for example, in the case of a molecule, the input of its molecular geometry, molecular symmetry, basis set, etc. are input. In many cases, the relevant data is input in an input format specific to the molecular orbital calculation program to be used. This is done by using one of the personal computers constituting the computer cluster 1. May be input using an editor such as Vi. The basis function input to the molecular orbital calculation system is an atomic orbital function having a center on each atom constituting a given material. For this atomic orbital function, it is necessary to calculate the one-electron integral and the two-electron repulsion integral shown in the equations (2), (3), and (4). This is the repulsive integral (uv | ds). In this molecular orbital analysis computer system, this integral calculation is distributed on each personal computer constituting the computer cluster. The distribution is adjusted so that the load on each personal computer is even. Specifically, the two-electron integral index (ijkl) for all atomic orbitals of a given material is evenly distributed to each personal computer, and the corresponding two-electron integral (ij | kl) is separately stored on each personal computer. Is calculated. Of course (ij | k
(kl | ij), which has exactly the same value as l), is naturally calculated only once, thus avoiding duplication. This distributed processing can be easily achieved by distributing a two-electron integral index (ijkl) using one of the computers constituting the computer cluster as a master. The two-electron integral generated in this way is transferred to the vector calculator 2 via the transmission line 31, and the Fock matrix element Fuv represented by the equation (5) is calculated. Next, the solution of the linear eigenvalue equation represented by the equation (7) is repeated on the vector computer, and the molecular orbital and the orbital energy are obtained. This process is different from the electron integration calculation described earlier,
Since the eigenvectors and eigenvalues are sequentially obtained by using the density matrix of the previous stage as input, if distributed processing is performed by multiple computers, it becomes extremely inefficient due to communication lag, etc.
Processing is performed on a single computer. The processing for solving the eigenvalue problem of the Fock matrix can of course be performed on a personal computer constituting a computer cluster. However, in general, a personal computer can perform only numerical operations by sequential processing, and is a pipe for so-called matrix operation. Since line processing cannot be performed, a great deal of time is required for the solution. On the other hand, according to the vector computer 2, the matrix eigenvalue can be obtained at high speed by pipeline processing operation, and the molecular orbital and energy can be obtained efficiently. For example, in a high-speed operation by a vector computer, a "supercomputer (edited by the Physical Society of Japan, published by Baifukan, 198
5) Since it is described in detail in a textbook explaining the numerical calculation method such as "", it will not be described again here.

【0037】次に、本実施例に示した分子軌道解析用計
算システムを用いて行った計算結果について述べる。プ
ログラムにはダイレクトSCFが行なえるGAMESS
を利用した。基底関数を大きくとり、より具体的には6
−31G*と呼ばれる基底関数(例えば、前掲のアブイ
ニシオモレキュラ−オ−ビタルセオリ参照)を用い行な
ったSiH2C2H4分子の計算(基底関数総数は61基底であ
る)では以下の結果が得られた。全CPU時間は53
秒、このうち2電子積分を初めとする積分計算に要した
CPU時間は50秒、固有ベクトルと固有値を求める反
復処理に要したCPU時間は3秒であった。一方、固有
ベクトルと固有値を求める反復処理をベクトル計算機2
を用いず、計算機クラスタ1を構成するパーソナルコン
ピュ−タの一つを用いて行なったところ、反復処理に4
9秒のCPU時間を要した。また、2電子積分を初めと
する積分計算を計算機クラスタ1を用いず、ベクトル計
算機2のみを用いて行なったところ、これに要したCP
U時間は96秒であった。これらの結果から、本実施例
に示した分子軌道解析用計算システムを用いた場合、電
子積分計算ならびに固有値問題解法の双方に於いて計算
時間の短縮が大きくはかれる事がわかった。本実施例で
はSiH2C2H4分子という比較的小さな分子についての結果
を示したが、化学工業や製薬工業などで利用される大分
子の場合、計算時間の短縮効果はより著しいものとな
る。
Next, the results of calculations performed using the molecular orbital analysis calculation system described in this embodiment will be described. GAMESS with direct SCF
Was used. Take a large basis function, more specifically 6
Calculation of the SiH2C2H4 molecule using a basis function called -31G * (for example, see Abinitio Molecular-Obital Seoli, supra) (the total number of basis functions is 61 basis) gave the following results. Total CPU time is 53
Seconds, of which CPU time required for integration calculation including two-electron integration was 50 seconds, and CPU time required for iterative processing for obtaining eigenvectors and eigenvalues was 3 seconds. On the other hand, an iterative process for finding an eigenvector and an eigenvalue is performed by a vector computer 2
Was performed using one of the personal computers constituting the computer cluster 1 without using
It took 9 seconds of CPU time. When the integral calculation including the two-electron integral was performed using only the vector computer 2 without using the computer cluster 1, the CP required for this was calculated.
The U time was 96 seconds. From these results, it was found that when the calculation system for molecular orbital analysis shown in the present example was used, the calculation time was greatly reduced in both electron integral calculation and eigenvalue problem solving. In this example, the results were shown for relatively small molecules such as SiH2C2H4 molecules. However, in the case of large molecules used in the chemical and pharmaceutical industries, the effect of shortening the calculation time becomes more remarkable.

【0038】次に、本発明による分子軌道解析用計算シ
ステムのまた別の実施例を図4を用いて説明する。本実
施例では先の実施例と異なり、計算機クラスタ1、ベク
トル計算機2接続用伝送線をイ−サネットに代わり、ベ
クトル計算機主記憶22に直接デ−タを転送できるチャ
ネル入出力装置21接続用のチャネル入出力装置接続用
伝送線32を用いた構成になっている。本構成では主記
憶22に直接、積分デ−タやフォック行列要素を転送で
きるため、伝送にともなうTAT(turn aroundtime)時
間の増加を抑える事ができる。本実施例を用いた分子軌
道計算結果について述べる。対象は先の実施例で計算し
たSiH2C2H4分子について行った。図3に示した構成では
全CPU時間53秒、TAT時間195秒であったの
が、本実施例に示した構成によれば全CPU時間は53
秒と変わらず、TAT時間は80秒と約3分の一に低減
することができた。
Next, another embodiment of the calculation system for molecular orbital analysis according to the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, unlike the previous embodiment, the transmission line for connecting the computer cluster 1 and the vector computer 2 is replaced with an Ethernet, and a channel input / output device 21 for directly transferring data to the vector computer main memory 22 is provided. The configuration uses a transmission line 32 for connecting a channel input / output device. In this configuration, since integration data and Fock matrix elements can be directly transferred to the main memory 22, an increase in TAT (turn around time) time due to transmission can be suppressed. The result of the molecular orbital calculation using this embodiment will be described. The test was performed on the SiH2C2H4 molecule calculated in the previous example. In the configuration shown in FIG. 3, the total CPU time is 53 seconds and the TAT time is 195 seconds. However, according to the configuration shown in this embodiment, the total CPU time is 53 seconds.
The TAT time could be reduced to 80 seconds, about one third, which was the same as the second.

【0039】以上二つの実施例で述べたとおり、本発明
によれば従来の単一計算機を用いる分子軌道計算に比
べ、CPU時間、TAT時間双方の短縮が可能となる。
As described in the above two embodiments, according to the present invention, both the CPU time and the TAT time can be reduced as compared with the conventional molecular orbital calculation using a single computer.

【0040】次に、本発明による分子軌道解析計算シス
テムを用いた材料解析・設計システムの一実施例を図5
を用いて説明する。本実施例は計算機クラスタ1、ベク
トル計算機2よりなる分子軌道解析計算システムに材料
解析・設計用入出力部4を併設、構成した材料解析・設
計システムである。材料解析・設計用入出力部4は表示
デイスプレー41、入力キーボード42、マウス43、
そして材料解析・設計用入出力部計算機45から構成さ
れている。材料解析・設計用入出力部計算機45は入力
キーボード42、マウス43により入力された設計情報
に基づき分子構造や結晶構造の生成、修正、そして表示
用画像データ生成を入行う機能を有する。材料解析・設
計用入出力部計算機45としては計算機クラスタ1を構
成する計算機により代用できることは言うまでもない。
Next, an embodiment of a material analysis / design system using the molecular orbital analysis calculation system according to the present invention is shown in FIG.
This will be described with reference to FIG. The present embodiment is a material analysis / design system in which a material analysis / design input / output unit 4 is provided in addition to a molecular orbital analysis calculation system including a computer cluster 1 and a vector computer 2. The material analysis / design input / output unit 4 includes a display display 41, an input keyboard 42, a mouse 43,
The input / output unit computer 45 for material analysis / design is constituted. The material analysis / design input / output unit computer 45 has a function of generating and correcting a molecular structure and a crystal structure and generating display image data based on the design information input by the input keyboard 42 and the mouse 43. It goes without saying that the input / output unit computer 45 for material analysis / design can be replaced by a computer constituting the computer cluster 1.

【0041】さて、次に本材料解析・設計システムを用
いて実施した酵素反応解析について説明する。先ず一般
的な酵素反応解析手順の各ステップを図6を用いて説明
する。第一のステップは解析対象となる酵素分子を入力
キーボード42またはマウス43を用いて指定する事で
ある。キーボードを用いて指定する場合には酵素分子の
指定番号、例えば米国ブルックヘブン国立研究所が編纂
しているPDB(プロテインデータバンク)収録番号を指
定することにより可能である。例えばインドールとセリ
ンからトリプトプァンを合成する反応を触媒するトリプ
トプァン合成酵素(Tryptophan synthase)の場合には1W
SYと入力すればよい。PDB(プロテインデータバンク)
収録番号は世界的に使用されている蛋白質コード番号で
あり、各蛋白質との対応は一義的である。本発明による
材料解析・設計システムでは材料解析・設計用入出力部
計算機45中ハードデイスクにPDB情報を保存してい
る。各コード番号に対応する具体的なPDBエントリー情
報は酵素分子を構成するアミノ酸残基のシーケンス、へ
テロ原子座標、SーS結合部位、ヘリックス構造、シート
構造などの高次構造情報などである。計算機45はこれ
らの情報より酵素分子の立体情報、結合情報を生成、表
示デイスプレー41に表示する。酵素分子の指定をマウ
スで行う場合、表示デイスプレー41上に示されるプル
ダウンメニューにより”Tryptophan synthase”等の酵
素名称を指定する事が出来る。
Next, an enzyme reaction analysis performed using the material analysis / design system will be described. First, each step of a general enzyme reaction analysis procedure will be described with reference to FIG. The first step is to specify an enzyme molecule to be analyzed using the input keyboard 42 or the mouse 43. When specifying using a keyboard, it is possible to specify the specification number of the enzyme molecule, for example, the PDB (protein data bank) collection number compiled by the Brookhaven National Laboratory in the United States. For example, in the case of tryptophan synthase which catalyzes the reaction of synthesizing tryptophan from indole and serine, 1 W
Just type SY. PDB (Protein Data Bank)
The collection number is a protein code number used worldwide, and the correspondence with each protein is unique. In the material analysis / design system according to the present invention, PDB information is stored on a hard disk in the input / output unit computer 45 for material analysis / design. Specific PDB entry information corresponding to each code number includes a sequence of amino acid residues constituting an enzyme molecule, a heteroatom coordinate, an SS binding site, a helical structure, and higher-order structural information such as a sheet structure. The computer 45 generates three-dimensional information and binding information of the enzyme molecule from these information and displays them on the display display 41. When specifying an enzyme molecule with a mouse, an enzyme name such as “Tryptophan synthase” can be specified from a pull-down menu shown on the display 41.

【0042】次のステップは基質分子の指定である。基
質分子に関して言えばPDBコード番号に対応するものは
なくビルダーを用いて表示デイスプレー41上で分子を
構成する。ビルダー機能と分子生成処理に関しては近年
各種流通ソフトが開発、使用されておりここでは特にそ
の内容についての説明は省略する。
The next step is to specify the substrate molecule. Regarding the substrate molecule, there is no one corresponding to the PDB code number, and the molecule is formed on the display 41 using a builder. In recent years, various distribution software has been developed and used for the builder function and the molecule generation processing, and a description of the contents thereof is omitted here.

【0043】次のステップは表示デイスプレー41上に
表示されている酵素と基質分子を適切な位置関係、すな
わち酵素分子の反応ポケットに基質分子を移動させるこ
とである(ドッツキング)。本システムでは表示デイス
プレー41上で基質分子をマウス43によりドラッグ、
酵素分子の反応ポケットに移動させる事により行ってい
る。以上、酵素分子の指定と表示、基質分子の指定と表
示、そしてドッキング操作迄の各ステップでは計算機ク
ラスタ1、ベクトル計算機2よりなる分子軌道解析計算
システムの機能は一切利用していない。
The next step is to move the enzyme molecule and the substrate molecule displayed on the display 41 into an appropriate positional relationship, that is, move the substrate molecule into the reaction pocket of the enzyme molecule (dotting). In this system, the substrate molecule is dragged by the mouse 43 on the display 41,
This is done by moving it to the reaction pocket of the enzyme molecule. As described above, the functions of the molecular orbital analysis calculation system including the computer cluster 1 and the vector computer 2 are not used at all in the steps from the designation and display of the enzyme molecule, the designation and display of the substrate molecule, and the docking operation.

【0044】さて、次のステップは(酵素―基質)複合
体の反応座標を分子軌道法により解析するステップであ
る。本実施例では固有値追跡法(Eigenvalue Following)
法により(酵素―基質)、複合体ポテンシャル面最大勾
配方向にアップヒル(Up Hill)する事で反応座標を求め
ている。固有値追跡法の手順に関しては化学物理の研究
論文(例えばジャーナルオブケミカルフィジックス、8
0巻、2464頁、1984年、米国物理学会発行)に
詳しく述べられておりここではこれ以上の説明は省略す
る。ポテンシャル面最大勾配方向へのアップヒル変化は
分子軌道解析計算システムの高速解析処理機能により表
示デイスプレー41上で(酵素―基質)複合体構造の変
化としてインタラクテイブに追跡可能である。追跡の各
段階で(酵素―基質)複合体の基準振動解析を行い、全
体の振動モードもあわせて追跡、表示する。本ステップ
を順次進める事により(酵素―基質)複合体の活性錯合
体、所謂、遷移構造を得ることが出来る。遷移構造は複
合体ポテンシャル面で一次の鞍点として定義されるもの
であり反応座標方向に対する基準振動の振動数が虚とな
ることから容易に判定できる。遷移構造が決定された段
階で初期状態とのエネルギ比較を行い、活性化エネルギ
が求められる。活性化エネルギは反応進行の難易度を判
定出来る指標であるため、これを高速、インタラクテイ
ブに求められる事は材料解析・設計システムにとり非常
に重要な機能の一つとなる。さらに(酵素―基質)複合
体の反応座標解析を進める事により反応生成物を得るこ
とが出来る。本ステップが酵素反応解析の最終ステップ
となる。
The next step is to analyze the reaction coordinates of the (enzyme-substrate) complex by the molecular orbital method. In this embodiment, the eigenvalue tracking method (Eigenvalue Following)
The reaction coordinates are determined by uphill in the direction of the maximum gradient of the complex potential surface by the method (enzyme-substrate). Regarding the procedure of eigenvalue tracking, refer to research papers on chemical physics (eg, Journal of Chemical Physics, 8
0, page 2464, published by the American Physical Society, 1984), and further description is omitted here. The uphill change in the direction of the maximum gradient of the potential surface can be interactively tracked as a change in the (enzyme-substrate) complex structure on the display 41 by the high-speed analysis processing function of the molecular orbital analysis calculation system. At each stage of tracking, normal vibration analysis of the (enzyme-substrate) complex is performed, and the entire vibration mode is also tracked and displayed. By sequentially performing this step, an active complex of the (enzyme-substrate) complex, a so-called transition structure can be obtained. The transition structure is defined as a primary saddle point on the complex potential surface, and can be easily determined from the fact that the frequency of the reference vibration in the reaction coordinate direction is imaginary. At the stage when the transition structure is determined, the energy is compared with the initial state, and the activation energy is obtained. Activation energy is an index that can determine the degree of difficulty of the progress of the reaction, and it is one of the very important functions for a material analysis / design system that it is required to be used at high speed and interactively. Further, a reaction product can be obtained by conducting a reaction coordinate analysis of the (enzyme-substrate) complex. This step is the final step of the enzyme reaction analysis.

【0045】次に、以上述べた一般的な酵素反応解析手
順を具体的な酵素反応に適用した結果を以下にまとめ
る。本実施例では本発明による材料解析・設計システム
を用い、アルファキモトリプシン(a-chymotrypsin)酵
素によるペプチド結合切断反応を解析、追跡した。アル
ファキモトリプシンの反応相手となる分子、つまり基質
ペプチド分子には残基数20からならオリゴペプチドRB
NHC1(O)RAを選び、RA−RB間のペプチド結合開裂反応を
追跡した。さて、アルファキモトリプシン酵素は残基数
245、総原子数3543個(水素原子を除く)よりな
る酵素であり、PDB登録番号は4CHAである。PDB登録番号
4CHAをキーボード42より入力した後、表示デイスプレ
ー41に表示されたアルファキモトリプシン分子の構造
を図7に示す。本図では酵素高次構造を明瞭に示すため
リボン図で表示している。リボン図とはヘリックス、シ
ート構造等の蛋白質構造をチューブ模型、短冊模型で表
示したものであり蛋白質の高次構造を明瞭に認識できる
表示法である。図7に示したようにアルファキモトリプ
シンは画面上、上下二つに分けられる部分構造(ドメイ
ンと呼ばれる)からなり両者に挟まれたポケット空間が
酵素活性領域50である。酵素活性領域50は基質ペプ
チド分子と反応を起こす中心領域である。アルファキモ
トリプシン分子の設定、表示に引き続きオリゴペプチド
RBNHC1(O)RAを表示デイスプレー41上で生成、表示し
た。生成の手順は先ず、オリゴペプチドRBNHC1(O)RAを
構成する残基名をマウス43を用いプルダウンメニュー
から順次選択、指定、残基間を接続するアミド結合NHC
(O)を加えながら構造組み立てを行い、最終段階で分子
力場法により構造最適化しオリゴペプチドRBNHC1(O)RA
を生成した。次に表示デイスプレー41上に追加表示さ
れた本オリゴペプチドを酵素活性領域50位置にドラッ
グ、(酵素―基質)ドッキングを進めた。ドッキングに
際してはアルファキモトリプシンの酵素活性領域50を
構成するセリン195残基、ヒスチジン57残基、アス
パラギン酸102残基近傍にオリゴペプチドRBNHC1(O)R
A結合開裂部位が接触するように配置した。これ迄にお
およそ知られているアルファキモトリプシンの反応様式
を図8を用いて説明する。これは例えば”Enzyme Struc
ture and Mechanism(A. Fersht著、FREEMAN書店、19
85年、New York発行) 405頁以下”をはじめとする生
化学の教科書に説明されているものである。さて、アル
ファキモトリプシン分子は単体状態では酵素活性領域5
0内にあるセリン195残基OH部がヒスチジン57残基
と水素結合を形成、安定化状態にある[状態A]。次に
ペプチドが酵素活性領域50に接近するとセリン195
残基OH部の水素がヒスチジン残基に移動、セリン195
残基O部が基質分子ペプチドの可裂結合部アミド結合カ
ルボニル炭素に結合した活性複合体を生成する[状態
B]。この状態に先にヒスチジンに移動した水素原子が
基質ペプチドアミノ末端をアタック、開裂ペプチドの遊
離と酵素中間体を生成して反応の第一段を終了する。ア
ルファキモトリプシン分子はセリン195残基が活性中
心に位置するためセリンプロテアーゼと呼ばれることも
ある。本実施例では[状態A]、[状態B]、[状態C]
の変化が実際に起こり得るものであるのか分子軌道計算
で追跡した。ポテンシャル面最大勾配方向へのアップヒ
ル変化(図6での反応座標解析ステップ)を進めたとこ
ろ1ステップの変化を追跡するのに本発明の計算機クラ
スタとベクトル計算機の間の並列処理を用いた分子軌道
解析計算システムで12時間必要であった。計算機クラ
スタとベクトル計算機の間の並列処理を用いない場合は
同じ計算に18時間必要であった。これは先に述べた通
り、アルファキモトリプシン分子は残基数245、総原
子数3543個(水素原子を除く)よりなる酵素であ
る。このため全原子を対象とする反応解析はいかに本発
明による分子軌道解析計算システムが高速であるといえ
大きな負荷となり、反応生成物の生成・表示迄の計算処
理をインタラクテイブに進める事は容易でないと判明し
た。そこでアルファキモトリプシンより酵素活性領域5
0を構成する酵素骨格を切り出し、総原子数を低減した
モデルアルファキモトリプシンにオリゴペプチドRBNHC1
(O)RAを作用させてみる事とした。切り出しに際しては
酵素活性領域50をセリン195残基、ヒスチジン57
残基、アスパラギン酸102残基よりなる酵素骨格A、
酵素骨格B、酵素骨格Cの3骨格に分け、これらが活性領
域50の空間構成を保持するよう配置した。すなわち各
酵素骨格をダミー原子よりなる構造リンカーで接続し、
骨格末端部が移動しないようした。ダミー原子は分子軌
道計算の段階では計算から除外されるため反応解析には
一切支障を生じさせない。モデルアルファキモトリプシ
ンの総原子数は約200(水素原子を除く)、オリゴペ
プチドRBNHC1(O)RAの原子数が約150(水素原子を除
く)となり十分インタラクテイブに反応を追跡できる規
模となった。実際、本ケースの場合、ポテンシャル面最
大勾配方向へのアップヒル変化一ステップは本発明の計
算機クラスタとベクトル計算機の間の並列処理を用いた
分子軌道解析計算システムで19秒と大幅に短縮され、
表示デイスプレー41上で構造変化をインタラクテイブ
に追跡できるようになった。計算機クラスタとベクトル
計算機の間の並列処理を用いない場合は同じ計算に40
秒必要であった。各アップヒル変化ステップの後に振動
解析を行い、振動数をチェック、遷移構造かどうか確認
を進めた。約70回のアップヒル変化ステップを経て得
られた遷移構造の概要図を図9に示す。遷移構造はオリ
ゴペプチドRBNHC1(O)RAの中心アミド結合部C1に酵素骨
格Aより伸びたセリン-C-CH2-O基が結合、C1原子を中心
とする四面体構造を構成、さらに酵素骨格Bへの水素結
合が生じていた。オリゴペプチドRB チェイン部が酵素
骨格Cとの間でシート構造を形成、安定化に寄与してい
る事も分かった。以上、本発明による材料解析・設計シ
ステムを用いることにより従来は推定の域を出なかった
酵素反応機構をインタラクテイブに追跡可能となった。
Next, the results of applying the above-described general enzyme reaction analysis procedure to specific enzyme reactions are summarized below. In the present example, a peptide bond cleavage reaction by an alpha-chymotrypsin (a-chymotrypsin) enzyme was analyzed and traced using the material analysis / design system according to the present invention. Oligopeptide RB if the number of residues is 20 in the molecule to be the reaction partner of alpha chymotrypsin, that is, the substrate peptide molecule
NHC1 (O) RA was chosen and the peptide bond cleavage reaction between RA-RB was followed. The alpha chymotrypsin enzyme is an enzyme having 245 residues and a total of 3543 atoms (excluding hydrogen atoms), and has a PDB registration number of 4CHA. PDB registration number
After inputting 4CHA from the keyboard 42, the structure of the alpha chymotrypsin molecule displayed on the display 41 is shown in FIG. In this figure, a ribbon diagram is shown to clearly show the higher-order structure of the enzyme. The ribbon diagram is a display method in which a protein structure such as a helix and a sheet structure is displayed by a tube model or a strip model, and is a display method in which a higher-order structure of the protein can be clearly recognized. As shown in FIG. 7, alpha-chymotrypsin has a partial structure (called a domain) which is divided into upper and lower portions on the screen, and a pocket space sandwiched between the two is the enzyme active region 50. The enzyme active region 50 is a central region that reacts with the substrate peptide molecule. Oligopeptide following setting and display of alpha chymotrypsin molecule
RBNHC1 (O) RA was generated and displayed on the display 41. First, the names of the residues constituting the oligopeptide RBNHC1 (O) RA are sequentially selected from the pull-down menu using the mouse 43, designated, and the amide bond NHC connecting the residues is used.
(O) is added and the structure is assembled.At the final stage, the structure is optimized by the molecular force field method and the oligopeptide RBNHC1 (O) RA
Generated. Next, the present oligopeptide additionally displayed on the display 41 was dragged to the position of the enzyme active region 50, and docking (enzyme-substrate) was advanced. Upon docking, the oligopeptide RBNHC1 (O) R was located at about 195 residues of serine, 57 residues of histidine, and 102 residues of aspartic acid constituting the enzyme active region 50 of alpha chymotrypsin.
The A bond cleavage site was positioned so as to make contact. The reaction mode of alpha chymotrypsin which has been roughly known so far will be described with reference to FIG. This is, for example, "Enzyme Struc
ture and Mechanism (by A. Fersht, FREEMAN Bookstore, 19
1985, New York), pp. 405 or less, and other textbooks on biochemistry. The alpha chymotrypsin molecule is an enzyme active region 5 in a single state.
The OH portion of serine 195 residue within 0 forms a hydrogen bond with 57 residues of histidine, and is in a stabilized state [State A]. Next, when the peptide approaches the enzyme active region 50, serine 195 is detected.
Hydrogen in residue OH moves to histidine residue, serine 195
Residue O forms an active complex bound to the amide bond carbonyl carbon at the cleavable bond of the substrate molecule peptide [State
B]. In this state, the hydrogen atom previously transferred to histidine attacks the amino terminus of the substrate peptide, releases the cleaved peptide and generates an enzyme intermediate, ending the first step of the reaction. The alpha chymotrypsin molecule is sometimes called a serine protease because 195 serine residues are located in the active center. In this embodiment, [state A], [state B], [state C]
Was tracked by molecular orbital calculations to see if the changes could actually occur. When the uphill change (reaction coordinate analysis step in FIG. 6) in the direction of the maximum gradient of the potential surface is advanced, the numerator using the parallel processing between the computer cluster and the vector computer of the present invention to track the change of one step. The orbit analysis calculation system required 12 hours. Without parallel processing between the computer cluster and the vector computer, the same calculation required 18 hours. As described above, the alpha chymotrypsin molecule is an enzyme having 245 residues and 3543 total atoms (excluding hydrogen atoms). Therefore, the reaction analysis for all atoms is a heavy load even though the molecular orbital analysis calculation system according to the present invention is fast, and it is not easy to proceed interactively with the calculation process up to the generation and display of the reaction product. It turned out. Therefore, enzyme active region 5
The enzymatic skeleton constituting 0 is cut out and the oligopeptide RBNHC1 is added to a model alpha chymotrypsin with a reduced total number of atoms.
(O) We decided to apply RA. Upon excision, 195 residues of serine, histidine 57
Residues, an enzyme skeleton A consisting of 102 residues of aspartic acid,
Enzyme skeleton B and enzyme skeleton C were divided into three skeletons, which were arranged so as to maintain the spatial configuration of the active region 50. That is, each enzyme skeleton is connected by a structural linker consisting of dummy atoms,
The end of the skeleton was not moved. Since the dummy atoms are excluded from the calculation at the stage of the molecular orbital calculation, they do not hinder the reaction analysis. The total number of atoms of the model alpha chymotrypsin was about 200 (excluding hydrogen atoms), and the number of atoms of the oligopeptide RBNCH1 (O) RA was about 150 (excluding hydrogen atoms). In fact, in this case, one step of uphill change in the direction of the maximum gradient of the potential surface is greatly reduced to 19 seconds by the molecular orbital analysis calculation system using parallel processing between the computer cluster and the vector computer according to the present invention.
It is now possible to interactively track structural changes on the display 41. When parallel processing between the computer cluster and the vector computer is not used, 40
Seconds needed. After each uphill change step, a vibration analysis was performed, the frequency was checked, and the transition structure was confirmed. FIG. 9 shows a schematic diagram of a transition structure obtained through about 70 uphill change steps. The transition structure is a serine-C-CH2-O group extending from the enzyme skeleton A bonded to the central amide bond C1 of the oligopeptide RBNCH1 (O) RA, forming a tetrahedral structure centered on the C1 atom, and further comprising the enzyme skeleton B A hydrogen bond to has occurred. It was also found that the oligopeptide RB chain formed a sheet structure with the enzyme skeleton C and contributed to stabilization. As described above, by using the material analysis / design system according to the present invention, it has become possible to interactively trace an enzyme reaction mechanism which has not been out of the conventional estimation range.

【0046】本実施例では酵素反応を例に本発明による
材料解析・設計システムの有効性を示したが、例えば半
導体表面、金属表面上で起こる各種反応、溶液内で起こ
る反応等に対しても全く同様に有効であることは言うま
でもない。また有限要素法など他の計算機シミュレーシ
ョンにおいても本発明は分子軌道法におけるのと同様に
処理高速化に効果がある。
In the present embodiment, the effectiveness of the material analysis / design system according to the present invention was shown by taking an enzymatic reaction as an example. It goes without saying that it is just as effective. Also in other computer simulations such as the finite element method, the present invention is effective in increasing the processing speed as in the molecular orbital method.

【0047】[0047]

【発明の効果】本発明によれば科学技術計算の大幅な高
速化が可能で、計算機シミュレーションを製品開発に適
用して開発期間の短縮が可能となる。とくに化学工業や
製薬工業で扱われる分子に対して、現実的な時間と計算
機資源によるアブイニシオ分子軌道計算実行が可能とな
り、ひいてはこれら材料の材料物性予測や薬理作用予測
が可能となる。
According to the present invention, it is possible to greatly increase the speed of scientific and technical calculations, and to shorten the development period by applying computer simulation to product development. In particular, it is possible to execute ab initio molecular orbital calculations with realistic time and computer resources for molecules handled in the chemical industry and the pharmaceutical industry, and to predict material properties and pharmacological effects of these materials.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】アブイニシオ分子軌道計算の概略ステップ。FIG. 1 shows schematic steps of ab initio molecular orbital calculation.

【図2】本発明による分子軌道計算方法。FIG. 2 shows a method for calculating molecular orbitals according to the present invention.

【図3】本発明による計算機システムの一実施例の構成
を示す概略図。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of an embodiment of a computer system according to the present invention.

【図4】本発明による計算機システムのまた別の一実施
例の構成を示す概略図。
FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of another embodiment of the computer system according to the present invention.

【図5】本発明による分子軌道解析計算システムを用い
た材料解析・設計システムの一実施例を示す概略図。
FIG. 5 is a schematic diagram showing one embodiment of a material analysis / design system using a molecular orbital analysis calculation system according to the present invention.

【図6】酵素反応解析手順の概略ステップ。FIG. 6 is a schematic step of an enzyme reaction analysis procedure.

【図7】ディスプレーに表示された酵素高次構造の概略
図。
FIG. 7 is a schematic diagram of an enzyme higher-order structure displayed on a display.

【図8】酵素の反応様式の概略図。FIG. 8 is a schematic diagram of a reaction mode of an enzyme.

【図9】酵素反応の遷移構造の概略図。FIG. 9 is a schematic diagram of a transition structure of an enzyme reaction.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1……計算機クラスタ、2……ベクトル計算機、11、
12、13、14、15、16……計算機クラスタを構
成する相互接続された計算機群、21……チャネル入出
力装置、22……主記憶装置、23……ベクトルレジス
タ、24……ベクトル演算プロセッサ、25……スカラ
レジスタ、26……スカラ演算プロセッサ、30……計
算機クラスタ内接続線、31……計算機クラスタ、ベク
トル計算機接続用伝送線、32……チャネル入出力装置
接続用伝送線、4……材料解析・設計用入出力部、41
……表示ディスプレー、42……入力キーボード、43
……マウス、45……材料解析・設計入出力部計算機。
1 ... computer cluster, 2 ... vector computer, 11,
12, 13, 14, 15, 16 ... interconnected computers forming a computer cluster, 21 ... channel input / output device, 22 ... main storage device, 23 ... vector register, 24 ... vector arithmetic processor , 25 scalar register, 26 scalar operation processor, 30 connection line in a computer cluster, 31 transmission line for connecting a computer cluster, vector computer, 32 transmission line for connecting a channel input / output device, 4 ... … Input / output unit for material analysis / design, 41
…… Display display, 42 …… Input keyboard, 43
...... Mouse, 45 ... Material analysis / design input / output unit computer.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ユルゲン シュルティ 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Jurgen Schulti 1-280 Higashi Koigakubo, Kokubunji-shi, Tokyo Inside Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】所与の材料に対する1電子積分、2電子積
分、ならびに該1電子積分、該2電子積分より構成され
るフォック行列要素の生成機能を有する相互に接続され
た複数の計算手段からなる計算手段クラスタ(並列計算
手段)、 該計算手段クラスタが生成する前記1電子積分の一部な
らびに前記フォック行列要素を、パイプライン処理機能
を有するベクトル計算手段に伝送する通信手段、 該通信手段を介し伝送された前記1電子積分の一部なら
びに前記フォック行列要素よりフォック行列を生成し、
該フォック行列の固有値と固有ベクトルを求解、前記所
与材料の分子軌道エネルギと波動関数を出力する前記ベ
クトル計算手段から構成されることを特徴とする分子軌
道解析用計算システム。
1. A plurality of interconnected calculation means having a function of generating a one-electron integral, a two-electron integral, and a Fock matrix element composed of the one-electron integral and the two-electron integral for a given material. A communication means for transmitting a part of the one-electron integral generated by the calculation means cluster and the Fock matrix element to a vector calculation means having a pipeline processing function; Generating a Fock matrix from a part of the one-electron integral transmitted through the Fock matrix element,
A calculation system for molecular orbital analysis, comprising: the vector calculating means for solving eigenvalues and eigenvectors of the Fock matrix and outputting molecular orbital energies and wave functions of the given material.
【請求項2】前記計算手段クラスタ生成デ−タを前記ベ
クトル計算手段に伝送する前記通信手段が、前記ベクト
ル計算手段の主記憶装置に直結する入出力チャネル装置
であることを特徴とする請求項1に記載の分子軌道解析
用計算システム。
2. The apparatus according to claim 1, wherein said communication means for transmitting said calculation means cluster generation data to said vector calculation means is an input / output channel device directly connected to a main storage device of said vector calculation means. 2. The calculation system for molecular orbital analysis according to 1.
【請求項3】前記計算手段クラスタを構成する個々の計
算手段がパーソナルコンピュータ、又はワークステーシ
ョン、又はそれらの任意の組み合わせより成ることを特
徴とする請求項1、または請求項2に記載の分子軌道解
析用計算システム。
3. The molecular orbital according to claim 1, wherein each of the calculation means constituting the calculation means cluster comprises a personal computer, a workstation, or any combination thereof. Analysis calculation system.
【請求項4】行列要素の計算を高速に処理するために相
互に接続された複数の計算手段からなる計算手段クラス
タ(並列計算手段)、前記計算により得られた行列の線
形演算を行うためのパイプライン処理機能を有するベク
トル計算手段、および前記計算手段クラスタと前記ベク
トル計算手段の間のデータ転送通信手段より構成される
計算システムにおいて、 前記ベクトル計算手段で、フォック行列の固有値と固有
ベクトルの求解のステップで、占有分子軌道にあたる固
有ベクトルがすべて求まった時点で新しいフォック行列
を作成するのに必要な密度行列を計算し、 該密度行列を前記計算手段クラスタに転送し、 前記計算手段クラスタで、新しいフォック行列要素の生
成を開始し、 前記ベクトル計算手段で、引き続き空分子軌道にあたる
固有ベクトルの求解を行い、その間に前記計算手段クラ
スタでは新しいフォック行列要素の生成を行うことを特
徴とする分子軌道計算方法。
4. A computing means cluster (parallel computing means) comprising a plurality of computing means interconnected to process matrix elements at a high speed, for performing a linear operation on a matrix obtained by said computing. In a calculation system including a vector calculation unit having a pipeline processing function, and a data transfer communication unit between the calculation unit cluster and the vector calculation unit, the vector calculation unit calculates a solution of an eigenvalue of a Fock matrix and an eigenvector. Calculating the density matrix necessary to create a new Fock matrix at the time when all the eigenvectors corresponding to the occupied molecular orbitals are obtained, transferring the density matrix to the calculation means cluster; Start generation of matrix elements and continue to hit empty molecular orbitals by the vector calculation means A molecular orbital calculation method, wherein eigenvectors are solved, and a new Fock matrix element is generated in the calculation means cluster during the solution.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008287529A (en) * 2007-05-18 2008-11-27 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Complex structure prediction device, method, and program
WO2022097298A1 (en) * 2020-11-09 2022-05-12 富士通株式会社 Quantum chemical calculation program, quantum chemical calculation method, and quantum chemical calculation device

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