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GPU技术在计算化学的应用

  GPU引发的计算化学革命

  鲍建樟 1丰鑫田 2于建国 2,*

  (1北京师范大学管理学院系统科学系,北京 100875; 2北京师范大学化学学院,北京 100875)

  摘要 :综述了图形处理器 (GPU)在计算化学中的应用和进展 .首先简单介绍了 GPU在科学计算中应用的发展,然后分别详细讲述了迄今几个使用 GPU和 CUDA(computeunifieddevicearchitecture,显卡厂商 Nvidia推出的计算平台 )开发工具设计的量子化学计算和分子动力学 (MD)模拟的算法和程序 ,尤其对目前唯一完全使用 GPU技术开发的量子化学计算软件 TeraChem做了完备的介绍 ,包括算法、实现的细节和程序目前的功能 .此外,本文还对 GPU在计算化学上将会发挥的作用做出了极为乐观的展望.

  关键词: GPU; CUDA;计算化学;分子动力学; TeraChem中图分类号: O641

  GPUTriggeredRevolutioninComputationalChemistry

  BAOJian-Zhang1 FENGXin-Tian2 YUJian-Guo2,*

  (1Department of Systems Science, School of Management, Beijing Normal University, Beijing 100875, P. R. China; 2College of Chemistry, Beijing Normal University, Beijing 100875, P. R. China)

  Abstract: Over the last 3 years, the use of graphics processing units (GPU) in general purpose computing has been increasing because of the development of GPU hardware and programming tools suchasCUDA(compute unifieddevicearchitecture). Here, wesummarizethe progress inalgorithmsand the corresponding software with regard to computational chemistry using GPU including quantum chemistry and molecular dynamics simulations in detail. We introduce and explore the newly developed TeraChem program, which is unique quantum chemical software and we discuss the algorithms, implementations,andfunctionalityoftheprogram.Finally,wegiveanoptimisticoutlookfortheuseofGPU incomputationalchemistry.

  KeyWords: GPU; CUDA; Computationalchemistry; Moleculardynamics; TeraChem

  1.引言

  计算化学是基于计算科学的原理来解决化学问题的一个化学分支学科 . 计算科学和技术的任何进步 ,都会迅速应用于计算化学 , 为计算化学带来长足的进步 . 而敏锐的计算化学家们 ,也时刻关注着计算科学的每一个新进展 , 切盼这些进展能对使用计算机从微观上了解化学和生命现象带来突破和契机 . 无疑 ,自 2007年起 GPU在计算化学上的应用和导致的一些具有革命意义的进展 (且该浪潮的势头还正方兴未艾 )对任何与计算化学有关的学科的科学工作者 ,都是应该密切关注和深入了解的 .概要介绍 GPU用于科学计算的基本技术和原理 ,穷极搜罗至今有关的成果 ,条分缕析地归类分析 ,为计算化学家和关注并需要计算化学成果的非计算化学家提供一个引导性的材料 ,使他们能把握前进的脉搏 ,而争取迅速迎头赶上 ,并在其中争得一席

  Received:April15,2011;Revised:June9,2011;PublishedonWeb:June24,2011. ∗Correspondingauthor.Email:jianguo_yu@bnu.edu.cn;Tel:+86-10-58802051. TheprojectwassupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(20733002,20873008,21073014).国家自然科学基金(20733002,20873008,21073014)资助项目