流技术、ｊ
保持向后的兼容也可以使用ｍｐｉｒｕｎ，但是不支持 所有的ｍｐｉｅｘｃ的参数和ＭＰＩＣＨｌ的一些参数、
ＩＢＭ 在ＩＢＭ
ＡＩＸ
ＰＥ＿４１（Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）它是为
ＡＩＸ系统上开发和执行并行程序如
２
ＭＰＩ并行环境
ＭＰＩ（ｍｅｓｓａｇｅ
ｐａｓｓｉｎｇ
Ｆｏｒｔｒａｎ、Ｃ、ｃ＋＋而设计的。它是一个分布式内存 消息传递系统，可以运行在ＲＳ／６０００系列或ＡＩＸ
ｓｅｒｖｉｃｅｓ
不同的是，它基于“Ａｃｔｉｖｅ Ｍｅｓｓａｇｅ ＳｔｙｌｅＨ】．’机制。
３分子动力学模拟一ＧＲＯＭＡＣＳ
分子动力学（ＭＤ）是一种物质微观领域的 模拟方法，这种方法通过计算机模拟物质体系中 微观粒子（主要是原子、分子）之间的相互作用 及运动来得到体系中粒子的运动轨迹，再按照统 计物理的方法计算得卅物质的宏观性能等。随着 计算机技术的进步，发展ｆ‘分迅速，逐渐成为模 拟微观系统、预测宏观性能的主要方法之一。分 子动力学的主要瓶颈是在计算时长和效率上。分 子动力学中典型的时间步长为飞秒，即使是微秒 级的现实模拟也需要１０万步，显然计算量是ｆ‘分 庞大的。所以分子动力学模拟对计算机性能的需 求可以说是无限的，并行计算是解决该问题的有 效途径。 ＧＲＯＭＡＣＳ是实现分子动ＩＩ，Ｊ学模拟的一个通 用软件包，也就是模拟数百个或数百万个规模的 离子系统运动的牛顿方程组。它是由荷兰 Ｇｒｏｎｉｎｇｅｎ大学生物物理化学系开发的，主要设计 用来模拟蛋白质和脂质生物分子，也可以用来研 究例如聚合物等非生物分子体系。ＧＲＯＭＡＣＳ支 持常见的所有分子动力学算法，如各种热能、压 浴以及静电相互作用计算等。另外ＧＲＯＭＡＣＳ还
Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ
４不同并行环境ＧＲＯＭＡＣＳ的实现
在使用ＧＲＯＭＡＣＳ进行分子动力学模拟时， 控制分子动力学模拟的参数文件称为ｍｄｐ
（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ）文件。该文件
ｆｏｒＡＩＸ
５Ｌ，编译器是ＩＢＭ
Ｆｏｒｔｒｏｎ，
我们在上述三个环境中分别用ｌｎｐ、２ｎｐ、４ｎｐ 和８ｎｐ进行了计算，前两种并行环境计算任务提 交的过程中我们使用了Ｔｏｒｑｕｅ作业调度软件，作 业脚本分别是
＃！／ｂｉｎ／ｓｈ
中定义分子动力学模拟的各种行为ｍｄｐ文件分 为几个部分，每次使用ｇｒｏｍｐｐ读入ｍｄｐ文件以 生成ｔｐｒ模拟文件时，总会生成一个ｍｄｏｕｔ
ｍｄｐ
ｃａｔ￥ＰＢＳ ＮＯＤＥＦＩＬＥ＞／ｈｏｍｅ／８／ｐｒｏｊｅｃｔｓ／ｌａｍ２ ｈｏｓｔｓ
／ｏｐｔ／ｌａｍ／ｇｎｕ／ｂｉｎ／ｌａｍｂｏｏｔ
ｖ／ｈｏｍｅ／。／ｐｒｏｊｅｃｔｓ／ｌａｉｎ２
ＧＲｏＭＡＣＳ．Ｔｈｅ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ
Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｉｎ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ
ＣＨＥＮ
Ｗｅｎ—Ｂｏ
ＺＨＡＮＧ Ｙａｎｇ
ＬＩＵ Ｘｉｎ
ＬＩ Ｌｉａｎ
（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ ａｎｄ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｃｅｎｔｅｒ，ＬＡＮ Ｚｈｏｕ
采用周期边界条件计算。ＧＲＯＭＯＳ８７［８１力场被用 来描述该蛋白质。该体系先经过２０００步的能量最 我们在ＬＡＭ／ＭＰＩ、ＭＰＩＣＨ２和ＩＢＭ ＰＥ二个 并行环境中分别安装了ＧＲＯＭＡＣＳ，硬软件环境
ＡＰＩ
Ｄａｔａ）模式程序运行任务在分区是一样的，但是 任务Ｔ作在不同的数据集合；ＭＰＭＤ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ
Ｐｒｏｇｒａｍ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ
Ｄａｔａ）模式中每个节点可能运行
不同的程序。ＰＥ除了支持ＭＨ外，还支持ＬＡＰＩ
（Ｌｏｗ—ｌｅｖｅｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ），与ＭＰＩ
的一个库，而且是ＬＡＭ基于用户级和后台程序 的一个运行环境，提供了许多ＭＰＩ程序要求的服 务。ＬＡＭ／ＭＰＩ的主要组件被设计成框架，可以 扩展成小的模块并在运行期或配置时自由选择， 这个框架被称为ＳＳＩ【｛１（ｓｙｓｔｅｍ
有许多特点如代码实现中采用了相当多的优化算 法，使得它的计算速度很快；分子拓扑结构文件 和其他参数文件都是纯文本文件，易于用户使用； 提供大量轨迹分析］＋具和全自动的蛋白质拓扑建 模Ｔ具；采取好几种策略来优化提高分子模拟中 最费时间的步骤一粒子问相互作用势能及力的计 算，从而支持并行计算，而且是基于ＭＰＩ标准实
传递编程标准，目的是为基于消息传递的并行程 序设计提供一个高效、可扩展、统一的编程环境、 它是目前最为通用的并行编程方式ＭＰＩ标准中 定义了一组函数接口，用于进程间的消息传递， 这些函数的具体实现ｍ各计算机厂商或科研部 门来完成，比较著名的就是ＬＡＭ／ＩＶｌＰＩ和ＭＰＩＣＨ。 ＬＡＭ／ＭＰＩ口１是一个高性能、免费、开源的 ＭＨ标准的实现。它是美国印第安纳大学开放系 统研究室研究并开发的。，它支持ＭＰＩ一１标准和部 分ＭＰＩ一２标准。ＬＡＭ／ＭＰＩ不仅是实现ＭＨ
本文利用一个最为有效的分子动力学软
Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：
Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ
Ｄｙｎａｍｉｃｓ，Ｐａｒａｌｌｅｌ
件ＧＲＯＭＡＣＳ，在几种不同的并行环境
ＬＡＭ／ＭＰＩ、ＭＰＩＣＨ２、ＩＢＭ ＰＥ中买现了
Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，ＧＲＯＭＡＣＳ，ＬＡＭ／ＭＰＩ，ＭＰＩＣＨ２，
ＴＢＭ ＰＥ
ＧＲＯＭＡＣＳ的并行计算．．通过时长为５纳秒的模 拟体系，分别对计算结果和并行效率进行了分析 和比较，从而为利用该软件进行药物设计研究提 供了有力的参考。 关键词：分子模拟
ｉｎｔｅｒｉｈｃｅ）是一个消息
操作系统半台执行并行程序。它把ＲＳ／６０００系统 的处理器叫做处理器节点，当用户执行并行程序 时，并行任务就分配到处理器节点上，处理器节 点在同一个网络，凶此并行任务能同步的通信和 交换数据。ＰＥ支持两种基本的并行程序模式
一ＳＰＭＰ／ＭＰＭＤ。ＳＰＭＰ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ
ａｓ
ｍｅａｎｓ
ｔｈｉｓ
ｔｏ
ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ
ｏｎｅ
ｔｈｅ
ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｐｒｏｂｌｅｍｓ
Ｉｎ ｌｂｒ
ｔｏ
ｐａｐｅｒ，
ｏｆ ｔｈｅ
ｍｏｓｔ
ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ
ｕｓｅｄ
ｍｏｌｅｃｕｌａｒ
ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ
ｄｙｎａｍｉｃｓ，ＧＲＯＭＡＣＳ，ｗａｓ
ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ
ｐａｒａｌｌｅｌ
２００８年伞围高性能计算学术年会
ＧＲＯＭＡＣＳ一分子动力学模拟并行计算的研究与实现
陈文波张洋刘
鑫李廉

（兰州大学通信网络中心甘肃兰州７３００００）
（ｈｐｃ＠ｌｚｕ ｅｄｕ ｃｎｊ
摘要：随着生物化学研究领域的应用对速度和 内存资源需求的增高，并行计算已经成为解决该 问题的有效手段．．与并行计算相结合的分子模拟， 已经作为一种研究探索手段被许多科研工作者广
￥ＰＢＳ—ＮＯＤＥＦＩＬＥ是Ｔｏｒｑｕｅ作业系统分配
的节点名文件。 在ＩＢＭ ＡＩＸ小型机中我们运行如下：
冈采用ＰｙＭｏｌ【６１绘制，采用ｒａｉｎｂｏｗ的着色方式。
如图ｌ所示。、
５
ＧＲＯＭＡＣＳ计算及结果分析
在进行分子动力学模拟时，Ｔｏｐ７蛋白被溶于
一个７．８ｘ７
８ｘ６
６纳米的ＳＰＣ型的方形水盒子中，
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＬＡＮ
Ｚｈｏｕ，７３００００）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ
ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｍｏｒｅ ｄｅｍａｎｄ
ｔｈｅ
ｒａｐｉｄ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ａｒｅ
ｉｎ
ｔｈｅ ａｎｄ ａｎｄ
ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｏｎ
ｆｉｅｌｄ，ｔｈｅｒｅ
ｍｏｒｅ
ｓｐｅｅｄ
ｔｈｅ
ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ
ｍｅｍｏｒｙ
ｍｐｄｂｏｏｔ ｌｎｐｉｅｘｅｃ
ｎ
Ｊ。该受体结构ｍ ９３个残基组成，有ａｌｐｈａ Ｂａｎｋ），该
２
ｆ／ｈｍｎｅ／４／ｐｒｏｊｅｃｔｓ／ｔｒｙ／ｍｐｄ
Ｖ
ｈｏｓｔｓ
螺旋和ｂｅｔａ折叠两种结构域。Ｔｏｐ７的三维结构取
自蛋白质数据库ＰＤＢ［”（Ｐｒｏｔｅｉｎ
Ｄａｔａ
ｎｐ ４ｍｄｒｕｎ
Ｓｍｄ ｎｐ４ｔｐｒ“ｐ ４
ａｎ
ｒｅｓｏｕｒｃｅ
Ｐａｒａｌｌｅｌ
ｔｏ
ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｈａｓ
ｂｅｃｏｍｅ
ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｗａｙ
ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ
Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ
ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｐａｒａｌｌｅｌ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，ｉｓ
ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｂｙ
ｍａｎｙ
ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ
ｈｏｓｔｓ
文件，在该文件中有自己定义的参数，也有其他 没有定义的默认参数。本文采用一种新的人１：设 计蛋白的ｘ射线晶体衍射结构作为研究对象：
Ｔｏｐ７【５
／ｏｐｔ／ｌａｍ／ｇｎｕ／ｂｉｎ／ｍｐｉｒｕ“ｐ ２ ｍｄｒｕｎ ｎｌｄ ＃ｆ／ｂｉｎ／ｓｈ
２２ｎｓ ｔｐｒ“ｐ ２
ｃａｔ￥ＰＢＳ ＮＯＤＥＦＩＬＥ＞／ｈｏｍｅ／＋，ｐｒｑｉｅｃｔｓ／ｔｒｙ／ｍｐｄ ｈｏｓｔｓ
Ｔ，ＡＭ，ＭＰＴ ＭＰＴＣＨ２
并行计算是指同时使用多种计算资源解决计 并行计算
ＴＢＭ
ＰＥ
ＧＲＯＭＡＣＳ
算问题的过程，即将一个应用分解成多个子任务， 分配给不同的处理器，各个处理器之间相互协同， 并行的执行子任务为执行并行计算，计算资源 应包括多台配有多处理机（并行处理）的计算机、 一个与计算机相连的高速网络两者结合使用。并 行计算的主要目的是快速解决大型且复杂的计算 问题或提高求解问题的规模，同时也可以克服单 个计算机上存在的存储器限制。分子动力学计算 机模拟是研究分子动力学的有力Ｔ具。这一技术 既能得到原子的运动轨迹，还能像做实验一样作 各种观察它是列理论和实验的有力补充，特别是 许多与原子有关的微观细节，在实际实验中无法 获得，而在计算机模拟中可以方便地得到在生 物制药与纳米材料研究领域中，分子动力学模拟 计算方法有着广泛的应用，是原子、分子水半上 求解多体问题的重要计算机模拟方法。ｍ于受计 算机技术的制约，这些模拟的模型尺寸和时间均 受到了限制，模拟研究的范围也有很大的局限。 随着计算机技术的飞速发展，这些限制逐渐减少，