Огляд обчислювальних програм для молекулярного моделювання

Відео: Огляд програми Redcafe

Всі програми для молекулярного моделювання діляться, грубо кажучи, на дві категорії: обчислювальні пакети і ПО для візуалізації та аналізу. Перші - це команднострочние програми, які вирішують класичні рівняння руху атомів в системі (молекулярна динаміка) або розраховують електронну структуру молекул на квантовому рівні (квантова хімія). Ці програми зазвичай встановлюються на спеціалізованих обчислювальних кластерах і виконуються паралельно на декількох процесорах (від декількох штук до тисяч в залежності від завдання). Реальний час розрахунків варіюється від декількох діб до декількох місяців, а сумарне процесорний час може легко досягати сотень тисяч годин.

Програми візуалізації - це додатки для робочого столу, які відображають тривимірні структури молекул в різноманітних уявленнях, дозволяють аналізувати їх, розраховувати різні параметри, а також створювати зображення і відеоролики високої якості для презентацій і статей. У цій частині статті я опишу деякі популярні обчислювальні пакети.

Слід так само сказати, що для відтворення презентацій Вам потрібно завантажити kmplayer безкоштовно (https://my-kmplayer.ru/download-kmplayer), GOM Player або будь-який інший програвач відеофайлів.









Пакет молекулярної динаміки Gromacs (GROningen MAchine for Chemical Simulations, http: // gromacs.org) був створений в Університеті Гронінгена (Нідерланди) в 90-х роках. Спочатку програма створювалася спільно з однойменною паралельним комп`ютером, що володіє швидким межпроцессорной взаємодією, організованим у вигляді кільця. Згодом це «залізо» безнадійно застаріло, а ось програма - навпаки, завоювала широку популярність. Gromacs по суті був «варіацією на тему» ще більш старої програми GROMOS, створеної в 80-х роках. До початку 2000-х всі ключові розробники Gromacs перебралися до Швеції і отримали непогане фінансування, так що пакет розвивається стабільно і динамічно. Розробники активно досліджують і публікують нові алгоритми і методи молекулярної динаміки, які потім реалізуються в коді пакета. Код оптимізований аж до того, що найбільш часто використовувані «обчислювальні ядра» написані на асемблері окремо для різних процесорних архітектур (ia32, ia64, x86-64, Altivec, VMX, BlueGene). Починаючи з версії 4.0, що вийшла в 2008 році, в пакеті використовується дуже складний і ефективний алгоритм доменної декомпозиції і балансування навантаження, який дозволяє оптимально распараллеливать обчислення на кластерах з різною топологією і швидкістю мережі. Для дуже великих систем пакет може ефективно використовувати до 10000 процесорів, хоча для типових задач зазвичай вистачає 32-64 ядер. Gromacs спочатку відкинув сумісність з форматами файлів вже існували розрахункових пакетів і пішов своїм шляхом. Це дозволило впровадити цілий ряд технічних нововведень - стислі файли траєкторій, знімки стану, що дозволяють елементарно перезапустити «впав» розрахунок, стерпний бінарний формат стартових файлів, підтримка всіх популярних силових полів (CHARMM, AMBER, GROMOS, OPLS) і т.п.


Gromacs поширюється по ліцензії GPL, розробляється в системі Linux і за замовчуванням використовує відкриті бібліотеки та інструменти - бібліотеку для перетворень Фур`є FFTW3, компілятор GCC, систему збирання CMake, бібліотеки BLAS, LAPACK, OpenMPI і т.п. У той же час, при наявності на кластері пропрієтарних бібліотек і компіляторів (наприклад, Intel MKL і ICC), їх можна використовувати для «вичавлювання» максимальної продуктивності.

Gromacs славиться своєю чудовою документацією. Керівництво користувача Gromacs - еталон якісної документації до наукового ПО. Описано базові наукові концепції, які використовуються алгоритми і деталі їх реалізації. Прискіпливо документовані формати файлів даних, синтаксис і функціональність всіх програм пакета, нюанси і сценарії їх використання. Wiki-розділ офіційного сайту містить величезну кількість добре структурованої додаткової інформації, навчальних матеріалів, прикладів. На худий кінець можна скористатися списками розсилки, де цілком реально достукатися до розробників або досвідчених користувачів.