eMD-分子动力学模拟软件

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概况

  eMD为一款面向生物分子和纳米材料科学研究的分子动力学模拟软件，设计了高效的软件基础架构、可扩展的力场和灵活的流程控制，形成了稳健的分子动力学计算引擎，以有机统一计算、建模和分析三个阶段。eMD软件优化了面向高性能并行计算环境的计算模块，可针对生物分子体系和纳米材料进行大规模并行模拟，已测试最大百万核并行的21亿原子体系。
  eMD软件代码主要由本课题组出站博士后徐顺开发设计，徐顺现任职于中科院计算机网络信息中心高性能计算部，从事eMD软件的开发和维护。本课题组提出的新MD算法在eMD软件中有得到实现，同时eMD提供了大量水模型、蛋白质结构与动力学等建模功能，有力地支撑了本课题组的研究工作。

主要功能

  eMD具有优化的软件架构和计算算法，突出并行计算性能与用户体验性，可灵活集成新力场与模拟方法，模块化设计并支持数据可视化。

  1. 体系建模与输入
    计算模拟采用json格式的配置参数，包含分子基本属性，拓扑结构和力场参数的文件格式，提供group，lattice、region等概念，支持逻辑划分建模功能。支持LAMMPS data、NAMD pdb+psf和Gromacs gro+top一般性输入配置格式。

  2. 力场支持与集成
    支撑成熟生物体系力场如CHARMM、AMBER等，也集成了LAMMPS中常用的FENE、DPD等作用势。支持NAMD的PSF和LAMMPS Data文件的体系配置文件导入。

  3. 计算模拟核心引擎
    支持常用verlet-velocity的积分方法，可组合副本交换的模拟方法，支持广义正则系综GCE和MetaDynamics等增强抽样算法。

  4. 轨迹输出控制
    对热力学统计量和体系构象轨迹设计出可自定义输出的机制，支持xyz，pdb和xtc等轨迹存储格式。

  5. 流程逻辑控制
    采用swig封装低层程序模块，支持Python层的类和函数级调用控制，封装了一般MD流程模块便于逻辑控制。

  6. 交互式可视化设计
    基于Python模块提供Jupyter的交互式的分子动力学模拟操作，引入NGLView支持分子结构的可视化系统操作。

特色
  eMD针对生物大分子和纳米材料研究中分子模拟计算需求，在以下方面形成了自有特色：

  • 可扩展模拟力场设计，方便用户植入新力场模型；

  • 提供统一异构计算软件框架，适应多种异构计算平台；

  • 提供较新的增强抽样算法，实现高精度的自由能计算方法；

  • 基于Python模块提供Jupyter的交互式操作，增强了用户在力场建模和数据分析阶段的体验。