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計算化学ソフトウェア「Gromacs」

 

極めて多様な目的に利用しうる分子動力学計算のパケージです。分子動力学計算ではタンパク質などの動的な挙動を解析しうるとともに、自由エネルギーなどの統計力学量をも求めることができます。

 

Gromacsの概要

GROMACS（グローマックス、Groningen Machine for Chemical Simulations、グローニンゲン・マシン・フォー・ケミカル・シミュレーションズ）は、フローニンゲン大学で開発された分子動力学シミュレーションのソフトウェアパッケージです。
現在は世界中の大学と研究所の貢献者によって維持管理されております。フリー、オープンソースソフトウェアであり、GNU General Public License（GPL）と、バージョン4.6からはGNU Lesser General Public License (LGPL) の下で公表されています。

GROMACSは現在利用可能な最速かつ最も人気のあるソフトウェアパッケージの一つであり、中央処理装置（CPU）およびGraphics Processing Unit（GPU）上で動作します。

GROMACSは並列計算を前提としたプログラミングがなされています。プログラムの大部分はC言語で記述されており、同じグループが以前に開発したGROMOS（FORTRAN 77ベース）が参考にされています。バージョン4.6時点において、SSEやAVX、HPC-ACEなどの拡張命令を用いたアセンブリ言語のルーチンが実装されており、高速な計算が可能となっております。

Gromacsの主な機能

GROMACSはアルゴリズム的ならびにプロセッサ特異的最適化によって極めて速く、CPUを使用した計算において
大抵は多くのシミュレーションプログラムよりも3倍から10倍高速に動作します。
GROMACSはコマンドラインを通じて操作され、インプットおよびアウトプットにファイルを用いることができます。
GROMACSは計算の進行度合いと完了予定時刻のフィードバック、トラクジェクトリビュアー、トラクジェクトリ解析のための豊富なライブラリを備えます。加えて、異なる力場のサポートによってGROMACSは非常に高い柔軟性を有しています。
MPIあるいはスレッドを用いて並列計算が可能です。

 

■シミュレーション
・シミュレーション（分子動力学、ランジュバン動力学）
・エネルギー最小化（共役勾配法、最急降下法）
・基準振動解析
・相関関数

■アンサンブル
・Weak Coupling法（温度・圧力制御）
・Nose-Hoover法（温度制御）
・Parrinello-Rahman法（圧力制御）
・Martyna-Tobias-Tuckerman-Klein法（温度・圧力制御）

■長距離相互作用の取り扱い
・カットオフ近似（Group based、twin-range、スイッチング関数、シフト関数）
・PME (particle mesh Ewald)
・PPPM (particle-particle particle mesh Ewald)
・Reaction Field
・ユーザ定義テーブル関数

■自由エネルギー計算
・熱力学的積分法 (thermodynamic integration)
・自由エネルギー摂動法 (free energy perturbation)
・試験粒子挿入法 (test particle insertion)
・レプリカ交換法 (replica exchange)

Gromacsの扱う「分子動力学計算」

分子動力学計算はタンパク質など個々の分子を多くの原子の集まりとして考え、古典的なニュートンの運動方程式を解きます。

ここでriは原子iの位置ベクトル、Fiは原子iに作用する力、Nは原子の総数を示します。力Fiはポテンシャル関数Vから次式で求めることができます。

古典力学では本来的にそのポテンシャル関数を求めるための構成原理はなく、経験的に構成されます。そのため、個々の分子動力学計算ソフトウェアによってポテンシャル関数のの関数型やそこに用いられるパラメータは異なります。

 

GROMACSでは下記のポテンシャル関数が用いられています。

以下に、分子動力学計算を行うにあたっての留意点を示します。

1. 原子は「電荷と質量を持つ質点」とします。

2. ニュートンの運動方程式を解きます。

3. ポテンシャル関数Vの構成原理はないため、ポテンシャル関数は経験的に決められます。

4. そこに含まれるパラメータは、分光学などの実験結果を踏まえ、あるいは量子論により、さらには実験結果と整合性が取れるように決められております。

5. それらパラメータを用いた分子動力学計算は、広範な実験結果を説明し、かつ新たな知見を生み出しています。

6. ただし、「分子動力学計算が常に最適な選択」というわけではない。なお、ここでは述べませんが、GROMACSのパケージには粗視化モデル（例：１残基を１質点でモデル化）やブラウン動力学による解析方法も含まれています。

【Gromacs向けHPCの選び方】

　Amberと同じ分子動力学計算ソフトですが、フリーウェアでありCPUやGPUの処理に特化しているため、同じ計算でも高速で演算できるアルゴリズムを持っています。それはAmberと異なり水分子に特化したアルゴリズムを用いていることと無関係ではありません。また、異なる力場のサポートによって非常に柔軟性が高いプログラムになっています。

そのため、Amberと異なりスレッド数が重要で論理プロセッサ数とGPUの数で計算速度が決まってきます。
原子数が10000以上でGPUの加速効果が得られるのはAmberと同じです。
MPIプロセス1個がGPU1枚に対応するように動作しているため、各MPIプロセスにおけるCPUスレッド数を増やすと使っているGPUの利用率が上がり、実行性能が向上します。

そのためGROMACSの実行性能を最適化するには、
ノード当たりで使用するGPU枚数が1枚の場合はGPUのスペックにコストをかけるべきになり、
ノード当たりで使用するGPU枚数が2枚以上の場合はCPUコア数にコストをかけるべきになります。

お客様に合わせた【Gromacs向けのHPC】をご用意いたします。

お客様のご要望に合わせてお見積り致しますので、お気軽にお問合せください。