导读
分子动力学模拟是研究微纳尺度系统结构和动力学性质的关键工具，被广泛应用于软物质、生物化学和能源材料等前沿领域。然而，长程库仑力的计算成本高昂且易引发能量漂移，严重制约了分子动力学的模拟精度与效率。上海交通大学快速算法与高性能计算实验室徐振礼团队于2024年1月在《Journal of Chemical Physics》上发表论文《Energy stable scheme for random batch molecular dynamics》，提出了全新的能量稳定格式（Energy Stable Scheme, ESS），结合随机分批Ewald方法（RBE），为微正则系综中的能量守恒问题提供了突破性解决方案。
突破长程力计算瓶颈
传统分子动力学模拟中，长程库仑力计算是效率的主要瓶颈。RBE方法通过随机分批策略显著加速了计算，但引入的人工噪声导致能量漂移问题难以解决。研究团队提出的ESS格式，结合经典Velocity Verlet辛积分与弱耦合自适应能量耗散机制，从根本上解决了这一难题。该方法基于最小局部扰动原则，保持能量守恒的同时，显著提升了模拟的长期稳定性。通过“交我算”提供的高性能计算平台，研究团队对ESS方法进行了大规模基准测试，模拟结果表明新算法能够实现微秒级别的能量稳定性，准确再现了一系列复杂系统的动力学行为，包括非对称隐式电解质溶液和纯水系统。
图1 ESS提供稳定和精确的分子动力学模拟
图2 RBE+ESS相比经典方法大幅度提高计算性能
“交我算”平台助力分子动力学算法研究
“交我算”高性能计算平台为研究团队提供了强大的CPU集群资源，支持其完成数百万时间步的分子动力学模拟和大规模参数优化。凭借“交我算”平台的优质算力资源，研究团队能够高效运行RBMD和LAMMPS-RBE等高性能分子动力学软件，并对新算法的性能和适用范围进行系统性评估。RBE与ESS的结合显著提高了模拟效率与并行扩展性，为分子动力学模拟中的能量漂移难题提供了全新解决方案。
结语
上海交通大学快速算法与高性能计算实验室依托“交我算”平台，持续攻克计算科学中的核心问题，为能源材料、生物化学等领域的科学研究提供重要支持。这项研究不仅推动了分子动力学方法的发展，还为高性能计算在计算化学和材料科学中的应用开辟了新路径，充分体现了先进计算资源与创新算法结合的力量，为未来更广泛的科学与工程问题求解奠定了基础。
论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0187108
来源：