GRAPE
粒子 i と粒子 j の位置ベクトル r i {\displaystyle \mathbf {r} _{i}} , r j {\displaystyle \mathbf {r} _{j}} と質量 m i {\displaystyle m_{i}} , m j {\displaystyle m_{j}} を入力として与え、ニュートンの万有引力の法則:
F i j = − G m i m j | r i − r j | 3 ( r i − r j ) {\displaystyle \mathbf {F} _{ij}=-G{\frac {m_{i}m_{j}}{|\mathbf {r} _{i}-\mathbf {r} _{j}|^{3}}}(\mathbf {r} _{i}-\mathbf {r} _{j})}
から粒子間に働く重力 F i j {\displaystyle \mathbf {F} _{ij}} を求めて出力する。この際、重力の計算を逐次的に行なわず、方程式に含まれる位置座標同士の減算、2乗、加算といった各演算を行なう演算器を直列に並べてパイプラインを組み、パイプラインの最終段で最終結果 F i j {\displaystyle \mathbf {F} _{ij}} が出力されるようになっているのが GRAPE の本質的特徴である。万有引力の計算には約30ステップの演算が必要なので逐次処理では結果を得るのに約30クロックを要するが、GRAPE では1クロックごとに重力が計算されて次々と得られることになる。実際にはパイプラインを複数並列化することで計算をさらに加速している。
GRAPE アーキテクチャの応用例の中でも重要なものは、GRAPE のハードウェアを分子動力学 (MD) に応用した計算機である。水中の蛋白質の MD シミュレーションでは蛋白質分子を構成する各原子や媒質となる水分子の水素・酸素原子の間に働く分子間力・クーロン力などの相互作用を大量に計算する必要がある。MD で扱うこの種の相互作用は全て万有引力と同様の中心力であるため、GRAPE のパイプラインを修正することで MD の計算にも応用が可能となる。
このようにして1992年に、GRAPE-2 を MD にも使えるように改良した GRAPE-2A が開発された。GRAPE-2A は 180MFLOPS の理論性能を持っていた。1995年にはこの後継として回路を ASIC 化した MD-GRAPE が作られた。その後は東京大学から理化学研究所に移った戎崎俊一を中心とするグループで改良が行なわれ、2002年には理論性能 75TFLOPS の MDM が開発された。
GRAPE-2A/MD-GRAPE の系譜を引く分子動力学用計算機の一覧は以下の通りである。