MD模拟的发展趋势-2

1.3.2 MD模拟算法和分子模型的发展方向

虽然提高计算设备的运算速度及其并行程度是提高MD模拟效率的基础， 但是.通过改进MD模拟算法、简化分子模型，也可以达到任何计算设备的改 进均无法实现的作用。

MD模拟中消耗计算时间最多、最难并行处理的部分是分子间相互作用力的 计算，包括van der Waals相互作用、静电相互作用、多体相互作用等。对一个 包含N个原子的分子体系，每一个原子均与其他原子发生相互作用，需要计算 约0. 5N^2对两体势，计算量为O(N^2)。通过引入截断近似，并结合Verlet近邻 列表算法或格子索引算法等，两体相互作用的计算量可以降低到约O(N^2) 。另外，在计算长程静电相互作用时，截断近似无效，但通过Ewald求和算法或 快速多极矩算法等，也可将计算量降为0(N2) 详见6. 3.3节。

特别是，在 计算金属势等多体相互作用时，由于一个原子所受作用与其他多个原子的位置相 关，计算量将大于0(ND。虽然通过引入截断近似和适当的列表算法可以降低 原子间相互作用力的计算量、提高计算效率，但是，当模拟体系包含的原子数进 一步增大，达到百万数量级甚至更多时，任何列表算法的额外消耗均迅速增大， 必须根据模拟体系所包含的原子数进行优化〔冏。

除了改进算法外，提高MD模拟效率的更有效途径是降低模拟体系的自由 度，简化对模拟体系的描述阪］。在全原子力场模型下，如果利用完整约束方法 限制化学键的振动、限制分子内运动的自由度，可以在保证相同计算精度的前提 下延长MD模拟积分步长，提高模拟效率。如果引入联合原子模型，隐含与碳 原子成键的氢原子，不但可以简化分子模型，还可以提高积分步长，大大提高模 拟效率。目前，具有最高简化程度、最少自由度的分子模型是粗粒度模型(coarse-grained model)。

但是，即使采取上述种种措施，并利用最先进的超级计算系统后，仍然只能 模拟体积不超过“1um、约10^9个原子，实现约1ms演化时间。在可以预见的 将来，仍然无法利用MD方法模拟生物、材料等领域的许多物理、化学、生物 过程。例如，在材料科学与技术领域，从最小的原子一直到各种交通工具和建筑 设施等宏观物体，纵跨12个数量级的空间尺度。在生物医药领域，与蛋白质折 叠有关的时间跨度达10个数量级。

为了模拟分子体系在如此大的时空跨度内的结构与性质，目前广泛采用在不 同的空间和时间尺度用不同的模型模拟的方法。在原子尺度，一般采用量子力学 模型，利用量子化学计算或AIMD模拟方法研究能级、能带、化学键的生成与 断裂等性质。在分子尺度，广泛采用MD模拟方法，研究分子构型与排列顺序、 体系的热力学与动力学性质等。在更大的宏观尺度，普遍采用连续介质模型结合 有限元方法，研究应力、温度、浓度、速度等物理场与形变、热流、扩散流、动 量流等的关系(表1-1）