数百万分子流相态自由能计算的高效并行算法
统计力学
2025-05-12 v1
摘要
在生物和技术应用中，对由数百万分子构成的水滴进行模拟，由于难以在准确性和计算能力之间进行平衡，具有挑战性。大多数详细描述（如ab initio、可偏置或刚性模型）通常限制在少数几百个（ab initio）或几千个分子（刚性模型）数量。近期的机器学习方法允许模拟最多400万个分子，达到ab initio精度，但仅适用于数十纳秒，即使在数百个GPU上并行化。相比之下，粗粒度模型允许更大规模的模拟，但以牺牲精度或可迁移性为代价。本文考虑CVF水分子模型，该模型由于i)对氢键贡献的分子层面的详细计算，包括合作效应，ii)对分子平移和旋转自由度的粗粒化，能够在60度的温度范围内（围绕常温）以及0至50 MPa的条件下再现实验方程状态和流体水的涨落。本文描述了针对CVF模型的高效并行蒙特卡罗算法，这些算法在GPU上使用CUDA实现，专为该模型优化。我们对可达1700万分子（采用Metropolis算法）和200万分子（采用Swendsen-Wang蒙特卡罗算法）进行了基准测试。
引用
@article{arxiv.2505.05919,
title = {Efficient parallel algorithms for free-energy calculation of millions of water molecules in the fluid phases},
author = {Luis Enrique Coronas and Oriol Vilanova and Giancarlo Franzese},
journal= {arXiv preprint arXiv:2505.05919},
year = {2025}
}
备注
29 pages, 9 figures