(57)【要約】再構成可能な専用ハードウエアを用いて分子系を解析する方法および装置を提供する。全分子力学計算を、プログラム可能論理デバイス（ＰＬＤ）集積回路（ＩＣ）（単一のチップ）上で実行する。この単一のＩＣアクセラレーターは、分子力学計算における異なる項を扱うための、ＰＬＤの実行時再プログラムによって実現される。
2006508421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分子系についての分子力学計算を行うためのアクセラレーターであって、
分子系トポロジーデータと、前記分子系の各原子についての、原子タイプ、部分電荷、および三次元座標を含む分子系原子データとを格納するための記憶手段と、
少なくとも１つの局所相互作用項を計算するように、かつ非結合相互作用項を計算するようにプログラムされたプログラム可能論理回路を有し、単一の集積回路であり、前記記憶手段に結合された処理手段と、を備えるアクセラレーター。
【請求項２】
前記非結合相互作用項の計算が、近接原子対についてのみ、少なくとも１組の非結合相互作用項を計算することと、前記近接原子対を検出しスキップするテストなしに、かつ、前記近接原子対を検出し重み付けするテストなしに、少なくとも１組の非結合相互作用項を計算することとを含む、請求項１に記載のアクセラレーター。
【請求項３】
前記近接原子対が、ハードウエア・アクセラレーターにおいて割り出される、請求項２に記載のアクセラレーター。
【請求項４】
前記近接原子対のリストが、ホストコンピュータで割り出され、前記近接原子対の前記リストが、前記アクセラレーターに転送され、前記アクセラレーターが、前記リストを用いて前記近接原子対についての非結合項を計算するように構成されている、請求項２に記載のアクセラレーター。
【請求項５】
各原子対についての非結合相互作用が、前記アクセラレーターのクロック周期毎に生成され、前記記憶手段と前記処理手段との間のメモリ帯域幅が、前記各原子対についての前記分子系原子データを読み出すために割り当てられ、前記近接原子対についてのデータを読み出すのには用いられない、請求項２に記載のアクセラレーター。
【請求項６】
前記処理手段が、近接原子の対を検出する条件テストを行わない、請求項１に記載のアクセラレーター。
【請求項７】
前記処理手段が、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）である、請求項１に記載のアクセラレーター。
【請求項８】
単一のプログラム可能論理デバイス上での、分子系の非結合および局所相互作用の計算方法であって、
（ａ）前記計算の一部のために、前記単一のプログラム可能論理デバイスを構成するステップと、
（ｂ）前記単一のプログラム可能論理デバイス上で前記計算の前記一部を行うステップと、
（ｃ）前記計算の他の部分のために、前記単一のプログラム可能論理デバイスを再構成するステップと、を含む方法。
【請求項９】
前記単一のプログラム可能論理デバイス上で前記計算の更に他の部分を行うステップと、
前記計算の残りのそれぞれの部分について、ステップ（ａ）および（ｂ）を繰り返すステップと、をさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記単一のプログラム可能論理デバイスが、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）であり、前記単一のプログラム可能論理デバイスが、前記ＦＰＧＡを構成および再構成するための命令を有する信号担持媒体に結合されている、請求項８に記載のアクセラレーター。
【請求項１１】
全分子系相互作用を計算するように構成された単一のチップを備える装置。
【請求項１２】
相互作用項の異なる部分集合を計算するように単一のチップを再構成することにより、全分子系相互作用を計算するように構成された前記単一のチップを備える装置。
【請求項１３】
相互作用項の前記部分集合がエネルギー項を含む、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
相互作用項の前記部分集合が力の項を含む、請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
相互作用項の前記部分集合が、二階微分項を含む、請求項１２に記載の装置。
【請求項１６】
ホスト・システムと通信する単一のプログラム可能論理デバイス上で、分子系の自由エネルギー状態に対する非結合および結合の寄与を計算する方法であって、
前記プログラム可能論理デバイスが、前記ホスト・システム上で生成された数値データおよびトポロジーデータを受け取るステップと、
非結合の計算を行うように前記プログラム可能論理デバイスを構成し、該構成されたプログラム可能論理デバイス上で前記分子系に対する前記非結合の寄与を計算するステップと、
前記分子系についての結合の計算を行うように前記プログラム可能論理デバイスを構成し、該構成されたプログラム可能論理デバイス上で前記分子系に対する結合の寄与を計算するステップと、
前記非結合の計算および前記結合の計算の結果を、前記プログラム可能論理デバイスから前記ホスト・システムへと転送するステップとを含む方法。
【請求項１７】
前記分子系についての数値データを生成することが、前記分子系内のそれぞれの原子について、前記分子系内での当該原子についてのｘ、ｙ、およびｚ座標の組と、原子タイプと、当該原子の部分電荷とを生成することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
トポロジーデータを生成することが、前記分子系内のそれぞれの原子について、当該原子から指定の結合距離内にある他の原子を特定することと、前記分子系内の全ての結合原子の対、結合角を形成する全ての３原子群、およびねじれ角を形成する全ての４原子群を特定することとを含む、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
[0001]本出願は、２００２年７月１０日付けで出願された仮出願第６０／３９５１５５号の優先権を主張するものである。
【発明の分野】
【０００２】
[0003]本発明は、一般に分子解析に関し、特に分子系の分子力学解析に関する。
【発明の背景】
【０００３】
[0005]リガンド−ターゲット錯体または他のホスト−ゲスト錯体の自由エネルギー変化、溶媒和エネルギー、原子内力、結合エネルギーのような、分子系の物理的性質をシミュレートするのに、分子力学アルゴリズムが用いられる。分子力学アルゴリズムの例には、ＭＭＦＦ９４、ＯＰＬＳ、ＡＭＢＥＲ、ＭＭ４、およびＣＨＡＲＭＭが含まれる。分子系のエネルギーは、エネルギー項成分の和として計算される。局所エネルギー項があり、また非結合エネルギー項がある。用いられる代表的な局所エネルギー項は、２原子間の結合エネルギー、３原子間の角結合エネルギー、および４原子間の二面角エネルギーである。代表的な非結合エネルギー項は、非結合原子対間の静電エネルギー、および非結合原子対間のファンデルワールス・エネルギーである。変則（improper）ねじれ角エネルギー、面外屈曲エネルギー、ユーリー・ブラッドリー（Urey-Bradly）・エネルギー、角伸展・屈曲エネルギー等のような他の局所エネルギー項も含まれうる。それぞれの原子に働く力は、その原子のエネルギーの微分である。全ての原子のエネルギーの二階微分、すなわちヘッセ行列を計算し、極小化手順に用いることがある。
【０００４】
[0006]従来の分子力学アルゴリズムでは、ある閾値数よりも少ない結合で隔てられた原子対間の分子内相互作用を除いて、分子系での全ての原子対について、原子対間の非結合相互作用が計算され、正確に特定の数の結合で隔てられた原子対間の分子内相互作用は、ある係数で重み付けされる。これらの分子内相互作用を「近接非結合」相互作用と呼ぶ。すなわち、本明細書中で用いられる近接とは、正確に特定の数の結合で隔てられた原子対をも含むものであるが、これには限定されず、ある閾値数よりも少ない結合で隔てられた少なくとも２つの原子を意味している。
【０００５】
[0007]非結合相互作用項、すなわちファンデルワールス・エネルギーおよび静電相互作用は、分子系エネルギー計算の最も時間がかかる部分であり、なぜなら、非結合項は、分子系内のそれぞれの原子とすべての他の各原子との間で計算されるからである。すなわち、そのような計算においては、非結合項は、原子数についてＯ（Ｎ２）（ｎ２のオーダー）である。したがって、原子数についてＯ（Ｎ）（ｎのオーダー）である局所項に比べて、非結合項は、速度を速めるのにより重要な項である。
【０００６】
[0008]しかし、局所相互作用項の速度を速めることは、やはり重要である。通常、分子力学計算においては、局所相互作用の計算には、全計算時間の約１％が占められ、また、非結合相互作用の計算には、全エネルギー計算時間の約９９％が占められる。それゆえ、一般に、非結合の計算だけが、加速する必要があるものと思われている。しかし、この仮定はもっともらしいが実際には正しくない。例えば、全計算に１秒かかり、アクセラレーターが、当該計算の非結合部分に１００倍の速度増加をもたらすとする。これは、当該計算の非結合部分が０．９９秒から０．００９９秒に変わり、計算の局所部分は０．０１秒のままであることを意味する。そのため、加速された全計算時間は、０．００９９＋０．０１＝０．０１９９秒、すなわち約０．０２秒となる。しかし、０．０２秒は、元の時間である１秒の１／５０である。したがって、全計算時間は、当該計算の非結合部分が１００倍加速されたにもかかわらず、１／５０に減少したのみであった。
【０００７】
[0009]さらに、全計算の加速と比較した、当該計算の非結合部分の加速のこの差異は、加速の乗率が増すにつれて増大する。すなわち、計算の局所部分が加速されなければ、計算の非結合部分の加速に対して収穫逓減があることになる。非結合のエネルギーおよび力と、局所のエネルギーおよび力とについての時間の相対的な割合の上記仮定を用いた問題を説明する他の例を考えるが、二階微分の計算は含んでも含んでいなくてもよい。全計算に１秒かかり、アクセラレーターが、当該計算の非結合部分に１０００倍の速度増加をもたらすとする。これは、当該計算の非結合部分が０．９９秒から０．０００９９秒に変わり、計算の局所部分は０．０１秒のままであることを意味する。そのため、加速された全計算時間は、０．０００９９＋０．０１＝０．０１０９９秒、すなわち約０．０１秒となる。しかし、０．０１秒は、元の時間である１秒の１／１００である。したがって、全計算時間は、当該計算の非結合部分が１０００倍加速されたにもかかわらず、１／１００に減少したのみであった。
【０００８】
[0010]これらの例は、たとえ普通の実行時には１％の時間しか通常占めないとしても、計算の局所部分の速度を上げることが重要であることを示している。これらの例は、また、計算の非結合部分の加速が大きくなるほど、計算の局所部分の速度を上げることがより重要になることを明らかにしている。
【０００９】
[0011]分子系についてのエネルギーおよび力の計算を加速させるために、他の者が試みてきたのは、次のようなものである。
−固定小数点計算を用いてＴＴＬコンパチブル部品に結合されたＰＲＯＭ内のマイクロプログラムで実行される、力の計算および時間積分（例えば、A. F. Bakker and C. Bruin, Design andimplementation of the Delft molecular-dynamics processor, in Special PurposeComputers; edited by B. J. Alder. Academic Press, San Diego, CA, pp. 183-232 (1988)参照）。
−力の計算用のダウンロードされたマイクロプログラムを用いた、ＬＳＩで実行する浮動小数点計算（例えば、A. F. Bakker, G. H. Gilmer, M. H. Grabow,and K. Thompson, A Special Purpose Computer for Molecular DynamicsCalculations, J. Comp. Phys. , 90: 313-335 (1990)参照）。
−非結合力、クーロン力、クーロン・ポテンシャル、ファンデルワールス力およびファンデルワールス・ポテンシャルの計算のための専用ハードワイヤード・コンピュータ（例えば、R. Fine, G. Dimmer, and C.Levinthal,FASTRUN: A Special Purpose, Hardwired Computer for Molecular Simulation,Proteins, 11: 242-253 (1991)、または、D. G. Dimmer, R. Fine, and C. Levinthal;FASTRUN: A High Performance Computing Device for Molecular Mechanics Using aPipeline Architecture; BNL 37221; Nuc. Sci. Symp., 22-25 October (1985), San Francisco, CA; IEEE Trans. Nuc. Sci. NS-33, No. 1, February (1986)870-874参照）。
−単一のパイプラインを用いた、非結合力を計算するための専用コンピュータ（例えば、T. Ito, J. Makino, T. Fukushige, T.Ebisuzaki, S.K. Okumura, and D. Sugimoto, A Special-Purpose Computer for N-BodySimulations: GRAPE-2A. Pubis, Astron. Soc. Japan, 45: 339-348 (1993)参照）。
−ＤＦＴおよびＩＤＦＴのための固定小数点計算を用いたエヴァルト法の波数空間部分を計算するための専用コンピュータ（例えば、T. Fukushige, J. Makino, T. Ito, S.Okumrua, T Ebisuzaki, and D. Sugimoto, WINE-1: Special-Purpose Computer forN-body Simulations with a Periodic Boundary Condition, Pubis., Astron. Soc.Japan, 45: 361-375 (1993) 参照）。
−ＬＳＩの外部のメモリ内に格納された係数を用いて、ボードにおいて生成された隣接リストから、非結合力、ファンデルワールス力またはポテンシャルを計算するためのＬＳＩ（例えば、S. Toyoda, H. Miyagawa, K. Kitamura, T.Amisaki, E. Hashimoto, H. Ikeda, A. Kusumi, and N. Miyakawa, Development of MDEngine: High-Speed Accelerator with Parallel Processor Design for MolecularDynamics Simulations, Journal of Computational Chemistry, 20,2: 185-199 (1999)参照）。
−ＡＳＩＣの外部のメモリ内に格納された係数を用いて、非結合力、実空間クーロン力、波数空間クーロン力、ＤＦＴ、ＩＤＦＴを計算するためのＬＳＩ（例えば、T. Fukushige, M. Taiji, J. Makino, T.Ebisuzaki, and D. Sugimoto, A Highly-Parallelized Special-Purpose Computer forMany-body Simulations with an Arbitrary Central Force: MD-GRAPE,AstrophysicalJournal, 468: 51-61 (1996)参照）。
−１チップにつき、チップ上に格納されたファンデルワールス係数を用いた１００未満の浮動小数点演算で、かつ、１チップにつき３２の原子タイプで、非結合力のみのためのＬＳＩ計算（例えば、T. Narumi, Special-purpose computer formolecular dynamics simulations, Doctoral thesis, Department of General SystemsStudies, College of Arts and Sciences, University of Tokyo (1998)参照）。
【００１０】
[0012]つい最近では、研究は、専用コンピュータや大規模集積回路から離れ、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）のようなプログラム可能論理デバイス（ＰＬＤ）に向いてきている。ある研究では、非結合の計算に（例えば、T. Hamada, T. Fukushige, A. Kawai, and J.Makino, PROGRAPE-1: A Programmable, Multi-Purpose Computer for Many-BodySimulations, Publ. Astron. Soc. Japan 52: 943-954 (2000)参照）、また、二次元格子や接触ポテンシャルに（非分子力学）（例えば、B. Shackleford, D. Carter, G. Snider, E.Okushi, M. Yasuda, H. Kozizumi, K. Seo, T. Iwanoto, and H. Yasuura, AnFPGA-Based Genetic Algorithm Machine, Eighth ACM International Symposium onField-Programmable Gate Arrays (2000)や、H. Simmler, E. Bindewald, R. Manner,Acceleration of Protein Energy Calculation by FPGAs, Proc. of the Int. Conf. onMathem. and Engineering Techniques in Medicine and Biological Sciences(METMBS'00), Las Vegas, 177-183 (2000)を参照）、ＦＰＧＡを用いるようになってきた。加えて、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイの実行時再構成は、E. Lemoine, and D. Merceron, Run TimeReconguration of FPGA for Scanning Genomic Data Bases, IEEE Symposium on FPGAsfor Custom Computing Machines, pp. 90-98 (1995)に記載されている。
【００１１】
[0013]製品化時間の向上だけでなく、実質的なコスト削減もＰＬＤを用いてなしうる。従来、ＰＬＤは、分子力学の目的で非結合の計算および局所の計算の両方を実行するのには用いられてこなかった。しかし、上で説明したように、かなりの利益は、非結合の計算および局所の計算の両方を加速することによって得られうる。したがって、単一のＰＬＤ上で実行される分子力学計算を提供することが、望ましくかつ有益であろう。
【概要】
【００１２】
[0015]本発明の一態様は、当技術分野で現在知られているものよりも速い分子系解析方法および装置を提供するものである。本発明の更なる態様は、原子間の近接非結合相互作用に対するテスト・ステップが非結合項の計算の内部ループにおいて必要でない、分子系解析方法および装置を提供するものである。内部ループから近接非結合相互作用に対するテストが除かれると、その計算の帯域幅の要求が軽減され、それにより、非結合の内部ループのパイプラインのサイズが軽減され、その結果、追加の非結合の内部ループのパイプラインがチップに収まり、計算の速度を向上させることができる。
【００１３】
[0016]本発明の他の態様には、近接非結合相互作用を無視して非結合項を計算する方法および装置が含まれる。そして、別途の計算が、近接非結合相互作用を計算するためになされる。そして、近接非結合エネルギーが当該系の全エネルギーから差し引かれ、また、それぞれの原子について、近接非結合の力がその原子にかかる力から差し引かれる。
【００１４】
[0017]本発明の更なる態様は、分子力学計算における全ての項が、異なる組の相互作用項のためにチップを再構成することにより、単一のチップにおいて実行されるものである。チップを構成するのにかかる時間は、エネルギーおよび力を計算するのにかかる時間と比べて非常に短いため、全処理時間は、チップの再構成にかかる時間があっても、やはり非常に短い。計算の局所部分は、計算の非結合部分のおよそ４倍の数値演算を必要とする。したがって、ハードウエア資源を単純に加速に使用すると、必要とされる全計算の１％にのみハードウエアを用いても、計算の局所部分の速さを増すために４倍かかることになる。計算の１％を加速するためのハードウエアに４倍も費やすことを避けるために、本発明の方法および装置は、再構成可能なハードウエアを用いている。ハードウエアを再構成することによって、より少ないハードウエアが使用されるが、全計算はやはり加速される。ハードウエアは主に非結合項の計算に割り当てられるが、それでも、局所項を加速するのにも利用可能である。
【００１５】
[0019]上述の本発明の特徴、利点および目的が達成される方法が詳しく理解されるように、上で簡単に概要を述べた本発明のより詳しい説明を、添付の図面に示して、本明細書において説明した実施形態を参照することにより行う。なお、添付の図面は、本発明の代表的な実施形態を図示するのみであり、したがって、その範囲を限定するものとして考えられるべきではない。本発明は、他の等しく有効な実施形態を許容しうるからである。
【詳細な説明】
【００１６】
[0022]以下の説明では、本発明のより完全な理解をもたらすために多くの具体的な詳細を述べる。しかし、これらの具体的な詳細の１つ以上がなくとも本発明は実施しうるということが、当業者には明らかであろう。他の場合、本発明を分かりにくくすることを避けるために、周知の機能は記載していない。
【００１７】
[0023]代表的な分子力学アルゴリズムの計算のための各ステップを説明する。そのようなアルゴリズムは、当技術分野で知られており、例えば、T. Halgren, Merck Molecular Force Field,Basis, Form, Scope, Parameterization, and Performance of MMFF94, J. Comput.Chem., 17: 490-519 (1996)、T. Halgren, MMFF VI. MMFF94s Option forEnergy Minimization Studies. J. Comp. Chem. 20: 720-729 (1999)、およびW. Jorgensen, D. Maxwell, and J. Tirado-Rives, Development and Testingof the OPLS All-Atom Force Field on Conformational Energetics and Properties ofOrganic Liquids, J. Am. Chem. Soc., 118: 11225-11236 (1996)に見出すことができる。ただし、分子の相互作用は、エネルギー、力、および二階微分の各項の一つまたは組み合わせからなりうるが、本明細書中では明快さのためにエネルギーおよび力のみを述べる。それでも、力の項の記述に照らせば、二階微分の項も同様に用いうるということが、当業者には直ちに明らかであろう。
【００１８】
＞分子系の数値データを入力する。数値データには、分子系内の各原子について、原子のｘ、ｙおよびｚ座標、原子のタイプ、ならびに原子の部分電荷が含まれる。
【００１９】
＞トポロジー情報を生成する。トポロジー情報は、例えば以下を実行することで生成することができる。
・分子系の各原子について、該原子から所与の閾結合距離よりも近い他の各原子のリストを算出する。
・分子系の各原子について、該原子から正確に所与の結合距離にある他の各原子のリストを算出する。
・結合原子の全ての対のリストを算出する。
・結合角を形成する原子の三つ組の全てのリストを算出する。
・ねじれ角を形成する原子の四つ組の全てのリストを算出する。
【００２０】
＞各結合対についての結合パラメータと、各角度についての角度パラメータと、各ねじれ角についてのねじれパラメータと、各原子についてのファンデルワールス・パラメータとを含むパラメータのリストを算出する。
【００２１】
＞図１を参照すると、ホスト１０は、ＰＣＩインターフェース１１を介して、分子系についての数値データ、すなわち、所与の閾距離より近い原子と、所与の閾距離にある原子と、全ての結合原子の対と、結合角を形成する全ての原子の三つ組と、ねじれ角を形成する全ての原子の四つ組とのリストを、アクセラレーターボード１５に転送する。このデータは全て、アクセラレーターボード１５上のメモリ１３に格納することができる。
【００２２】
＞ホスト１０が、分子系についての全エネルギーをゼロに初期化する。
【００２３】
＞ホスト１０が、メモリ１４内の、全ての原子の全ての力をゼロに初期化する。
【００２４】
＞ホスト１０が、非結合の計算のために、ＦＰＧＡ１２を再構成する。
【００２５】
＞ホスト１０が、ファンデルワールス・パラメータと原子質量の表とをメモリ１４に転送する。
【００２６】
＞ホスト１０が、ＦＰＧＡ１２上で、非結合の計算を開始する。
【００２７】
＞ＦＰＧＡ１２が、各原子について、各力をメモリ１４に加える。
【００２８】
＞計算が終わったならば、ホスト１０が、非結合エネルギーの結果をＦＰＧＡ１２のメモリ１４から読み出す。
【００２９】
＞ホスト１０が、非結合エネルギーを、当該分子系についての全エネルギーに加える。
【００３０】
＞ホスト１０が、近接非結合エネルギーの計算のために、ＦＰＧＡ１２を再構成する。
【００３１】
＞ホスト１０が、ファンデルワールス・パラメータと原子質量の表とをメモリ１４に転送する。
【００３２】
＞ホスト１０が、ＦＰＧＡ１２上で、近接非結合の計算を開始する。
【００３３】
＞ＦＰＧＡ１２が、各原子について、各力をメモリ１４に加える。
【００３４】
＞計算が終わったならば、ホスト１０が、近接非結合エネルギーの結果をＦＰＧＡ１２のメモリ１４から読み出す。
【００３５】
＞ホスト１０が、近接非結合エネルギーを、当該分子系についての全エネルギーから差し引く。
【００３６】
＞ホスト１０が、結合エネルギーの計算のために、ＦＰＧＡ１２を再構成する。
【００３７】
＞ホスト１０が、結合パラメータをメモリ１４に転送する。
【００３８】
＞ホスト１０が、ＦＰＧＡ１２上で、結合エネルギーの計算を開始する。
【００３９】
＞ＦＰＧＡ１２が、各原子について、各力をメモリ１４に加える。
【００４０】
＞計算が終わったならば、ホスト１０が、結合エネルギーの結果をＦＰＧＡ１２のメモリ１４から読み出す。
【００４１】
＞ホスト１０が、結合エネルギーを、当該分子系についての全エネルギーに加える。
【００４２】
＞ホスト１０が、角エネルギーの計算のために、ＦＰＧＡ１２を再構成する。
【００４３】
＞ホスト１０が、角パラメータをメモリ１４に転送する。
【００４４】
＞ホスト１０が、ＦＰＧＡ１２上で、角エネルギーの計算を開始する。
【００４５】
＞ＦＰＧＡ１２が、各原子について、各力をメモリ１４に加える。
【００４６】
＞計算が終わったならば、ホスト１０が、角エネルギーの結果をＦＰＧＡ１２のメモリ１４から読み出す。
【００４７】
＞ホスト１０が、角エネルギーを、当該分子系についての全エネルギーに加える。
【００４８】
＞ホスト１０が、ねじれエネルギーの計算のために、ＦＰＧＡ１２を再構成する。
【００４９】
＞ホスト１０が、ねじれパラメータをメモリ１４に転送する。
【００５０】
＞ホスト１０が、ＦＰＧＡ１２上で、ねじれエネルギーの計算を開始する。
【００５１】
＞ＦＰＧＡ１２が、各原子について、各力をメモリ１４に加える。
【００５２】
＞計算が終わったならば、ホスト１０が、ねじれエネルギーの結果をＦＰＧＡ１２のメモリ１４から読み出す。
【００５３】
＞ホスト１０が、ねじれエネルギーを、当該分子系についての全エネルギーに加える。
【００５４】
＞ホスト１０が、全ての原子の各力をメモリ１４から読み出す。
同様に、変則ねじれ角相互作用、面外屈曲角相互作用、ユーリー・ブラッドリー（Urey-Bradly）相互作用、角伸展・屈曲相互作用等のような他の相互作用項も含まれうる。
【００５５】
[0024]このように、非結合の計算により、原子の近接対をスキップまたは重み付けをすることなしに、非結合項が計算される。これは、計算中、近接原子を検出するテストが必要とされないことを意味する。
【００５６】
[0025]例えば、ＯＰＬＳ分子力学エネルギー・アルゴリズムを考える。原子Ａに対する静電相互作用の計算を考える。ＯＰＬＳでは、原子Ａから１結合離れた原子、および２結合離れた原子が静電の計算には含まれず、３結合離れた原子は０．５の係数で重み付けされる。全ての原子は、４個もの他の原子と結合されうる。それゆえ、全ての原子は、１結合離れた４個の原子、２結合離れた１２個の原子、および３結合離れた３６個の原子を有することがありうる。したがって、ＯＰＬＳに関しては、非結合相互作用に含まれないかもしれない４＋１２＝１６個もの原子が、また、非結合エネルギーが０．５の係数で重み付けされるかもしれない３６個もの原子が存在し得る。したがって、含まれないかまたは重み付けされうる近接原子を検出する４＋１２＋３６＝５２ものテストが必要とされるであろう。そのようなテストは、ハードウエアを遅くし、テストがなければ数値計算に割り当てられたであろうスペースを占めることになろう。また、そのテストを実行するのに必要とされる、近接原子についてのデータを得るために、最大で５２までの余計なメモリ入出力動作が必要とされるであろう。しかし、本発明によれば、これらの余計なメモリ入出力が避けられ、その結果、ハードウエアのクロック周期毎に、１対の原子についての非結合エネルギーおよび力を各パイプラインで生成することができる。
【００５７】
[0026]ある分子系にｎ個の原子があるとすると、他の（ｎ−１）個の原子のそれぞれで掛け合わせ、かつ２で割った（各原子対についての寄与を２回加えるのを避けるため）ｎ個の原子のそれぞれについて、非結合の計算を実行しなければならないため、非結合項に関して、実行すべきｎ＊（ｎ−１）／２回の繰り返しが存在する。ｎ＊（ｎ−１）／２回の繰り返しのそれぞれについて、分子系の原子のそれぞれに関する近接原子のテストを実行するために時間とスペースとを費やすことなく、これらのテストは、近接する原子の相互作用の寄与が排除されないようにかつ重み付けされないように、省略される。次に、更なるステップが行われ、計算において排除されるべきであった近接原子、および重み付けされるべきであった近接原子についてのエネルギーと力とを修正する。
【００５８】
[0027]近接原子の非結合エネルギーの寄与は、別途計算され、分子系についての全エネルギーから差し引かれる。また、各原子について、非結合近接力が、その原子についての力から差し引かれる。これは、各原子Ａについて、（１）Ａから所与の閾結合距離よりも近い原子のリストの始めから終わりまで繰り返して、そのリストの各原子についての非結合相互作用を計算することによって、また、（２）Ａから所与の閾結合距離にある原子のリストの始めから終わりまで繰り返して、そのリストの各原子についての重み付けされた非結合相互作用を計算することによってなされる。これらの近接非結合エネルギーの全ての総和が、ハードウエア・アクセラレーター上で計算される。ホストは、この総和を読み出し、それを分子系の全エネルギーから差し引く。
【００５９】
[0028]上記のものは、本発明の好ましい実施形態に向けたものであるが、本発明の他の更なる実施形態を、その基本的な範囲から逸脱することなく考え出すことができ、その範囲は、添付の特許請求の範囲により定められる。ステップを列挙する請求項は、各ステップのどのような順序をも意味せず、また、本明細書中で挙げられた全ての参照文献は、本発明の理解を助けるためのものであり、実際上、それらの全体について援用される。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の１つ以上の態様による、ホストコンピュータに結合されたアクセラレーターの代表的な実施形態のブロック図である。
【図１】
2006508421.tif 000003
【国際調査報告】
2006508421.tif 000004