NPT ensemble 中带有 prolate 函数的快速 Ewald 求和

本文提出了一种针对周期性带电系统的分子动力学仿真的 NPT 扩展 Ewald 求和方法，称为 ESP（Ewald summation with prolates），这是一种光谱精确且可扩展的粒子网格方法。该方法建立在最近引入的 ESP 框架基础上，本文重点关注在等温-等压 ensemble 中对压力/应力的严格且一致的评估。ESP 采用 prolate spheroidal wave functions 作为分割和扩散核，相对于当前基于 Gaussian 分割和 B-样条扩散的 mesh-Ewald 方法，所需的 Fourier 网格规模更小，以实现给定的压力精度。我们推导了适用于各向同性、半各向异性、各向异性和完全灵活单元的统一压力张量公式，表明长程压力可通过一次前向 FFT 后进行对角尺度放大来实现，而力的评估则需要前向和逆向变换。我们在 LAMMPS 和 Gromacs 中提供了生产级实现，并在 bulk 水、LiTFSI 离子液体和跨膜系统上验证了压力和力的精度。在最高达 $3\times 10^3$ 个 CPU 核心的基准测试中，展示了强尺度和在匹配精度下通信成本的降低，尤其是针对 NPT 压力评估。