GPUを用いた水のレプリカ交換分子動力学シミュレーションの高速化

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(1)HPCS2015 2015/5/19. 2015年ハイパフォーマンスコンピューティングと計算科学シンポジウム High Performance Computing Symposium 2015. GPUを用いた水のレプリカ交換分子動力学シミュレーションの高速化. !. 野村昴太郎1，高岩大輔1，成見哲2，泰岡顕治1 1. !. 2. 慶應義塾大学理工学部. 電気通信大学情報・通信工学科. 二つの相の間には，両者の自由エネルギーが一致する相平衡点が存在する．昇温・降温の分子動力学シミュレーションを用いてこの相平衡点を計算する場合，一次相転移のような不連続な転移ではヒステリシスによる数K程度の不確かさを含んでしまう．また，相転移を扱う場合，低温領域で系が準安定状態にトラップされてしまうことが多く，正しく相平衡点を求めることは難しい．相平衡点を正しく求める手法として，二相共存系のシミュレーションや自由エネルギーを計算する手法があるが，これらの手法は対象となる相が未知の場合用いることができない．本研究では，定量的に相平衡条件を決定し，かつ未知の相の探索を行うために，レプリカ交換法を用いた分子動力学シミュレーション[1]を行った．レプリカ交換法では，異なる温度・圧力条件の独立した複数のシミュレーションを行い，一定の間隔で詳細釣り合いに従い温度条件を交換する．この交換によりそれぞれのシミュレーションにおいて，系が高温と低温の条件の間をランダムウォークすることができ，低温で準安定状態へトラップされることを防ぎ，広い相空間をサンプリングすることができる．また，一度のシミュレーションで複数の相を実現することができるため，自由エネルギーを計算すること無く，相平衡条件の決定を行うことができる．しかしながら，レプリカ交換法を用いて相転移現象を扱う場合，各シミュレーションにおいてマイクロ秒オーダーのシミュレーションが必要であること，一度に扱うシミュレーションの数が相転移現象を扱わない場合に比べて多くなってしまうことから，計算の高速化が求められている．レプリカ交換法では，複数のシミュレーションを独立して行われるため並列化効率が良い手法である．本研究では，先行研究[2]で開発されたコードを剛体水モデルのシミュレーションに拡張し，複数のシミュレーションを1つのGPU上で並列に計算を行わせることによって計算の高速化を行った．水192分子系16シミュレーションで100ナノ秒/日を達成し，開発したプログラムを用いた水の準一次元閉じ込め系のシミュレーションにより数種類の準一次元型氷の相平衡点を推定した．. !. 謝辞本研究は，科学技術振興事業団JSTの戦略的基礎研究推進事業CRESTにおける研究領域「ポストペタスケール高性能計算に資するシステムソフトウェアの創出」の支援により行った．また，本研究の一部は、文部科学省研究拠点形成費等補助金(博士課程教育リーディングプログラム)の助成を受けたものである．. !. 参考文献 [1] Y. Sugita and Y. Okamoto, Chem. Phys. Lett., 314, 141 - 151, 1999. [2] K. Nomura et al, Mol. Sim., to be published.. ⓒ 2015 Information Processing Society of Japan. 88.

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