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JP4729889B2 - Molecular structure optimization system - Google Patents
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Description

本発明は,複数のコンピュータを用いた並列処理による分子構造最適化システムなどに関する。   The present invention relates to a molecular structure optimization system by parallel processing using a plurality of computers.

シミュレーションによって分子の安定構造を求めることは,ナノテクノロジー分野のみならずバイオテクノロジー分野などにおいても重要である。例えば,実際に,タンパク質の立体構造を解明した例が多数報告され,この立体構造に基づいて医薬が開発されたこともある。通常,分子はエネルギー的に安定な構造の近傍の構造をとる確率が高い。そのため,安定構造における分子の性質が分子全体の性質を反映する場合が多い。すなわち,分子の安定構造を解明することは,その分子の機能を解明する有力な手段となる。従って,分子の安定構造を求めるシミュレーションは極めて重要である。ところが,量子化学計算によって,大きな(原子数の多い)分子の安定構造を求めるためには,多くの時間が必要となる。   Obtaining a stable molecular structure by simulation is important not only in the nanotechnology field but also in the biotechnology field. For example, there have been many reports on the actual three-dimensional structure of proteins, and pharmaceuticals have been developed based on this three-dimensional structure. In general, molecules have a high probability of adopting structures in the vicinity of energetically stable structures. For this reason, the properties of molecules in stable structures often reflect the properties of the whole molecule. In other words, elucidating the stable structure of a molecule is an effective means of elucidating the function of the molecule. Therefore, simulations for obtaining stable molecular structures are extremely important. However, much time is required to obtain a stable structure of a large molecule (with a large number of atoms) by quantum chemical calculation.

一般的に,コンピュータの処理能力を高める方法として,並列処理が知られている。特に,最近は,インターネットを介して多数のパソコンを連携させて大規模な計算を可能にするグリッドコンピューティングによる並列処理が研究されている。グリッドコンピューティングは,LAN環境や,ADSLや光ファイバー通信等によるWAN環境の発展によって,今や世界中のコンピュータがネットワークでつながっているといってもよい状況の下,パソコンを有効利用しようとするものである。   In general, parallel processing is known as a method for increasing the processing capacity of a computer. In particular, recently, parallel processing by grid computing that enables large-scale computation by linking many personal computers via the Internet has been studied. Grid computing is an attempt to make effective use of personal computers under the circumstances where it can be said that computers around the world are now connected by a network due to the development of LAN environments and WAN environments such as ADSL and optical fiber communications. is there.

しかし,量子化学計算での分子の構造最適化を並列処理させる研究は,なされていない。マルチCPUコンピュータでの共有メモリあるいは分散メモリによる計算が,量子化学計算でも可能となってきてはいる。しかし,これらは分子軌道を求める計算における並列処理であって,構造最適化計算に関して,並列処理を行った例はない。   However, there has been no research on parallel processing of molecular structure optimization in quantum chemical calculations. Calculations using shared memory or distributed memory on multi-CPU computers are becoming possible with quantum chemical calculations. However, these are parallel processes in the calculation to obtain molecular orbitals, and there is no example of performing parallel processes for structure optimization calculations.

また,ナノテクノロジーやバイオテクノロジー分野等でのシミュレーションにおける,グリッドコンピューティングの活用は,発展途上の段階である。今までの活用例は,数多くの別個の計算を別々のコンピュータで実行してその結果を単に集めるという完全分散処理的なもの,眠っているコンピュータを有効利用するための処理振り分け的な利用法や一般利用者に簡単な利用環境を提供するものが大多数である。即ち,一つの計算を高度に並列処理して実行させる活用例は少ない。その主な理由は,ネットワーク通信が高速化されつつあるものの,複雑な並列計算に使える程には通信速度が高速ではないためと,グリッドコンピューティングを活用するに足るアルゴリズムが未熟なためである。   In addition, the use of grid computing in simulations in the nanotechnology and biotechnology fields is a developing stage. Examples of usage to date include a completely distributed processing method in which many separate calculations are executed on separate computers and the results are simply collected, and a process-distributed usage method for effectively using a sleeping computer, Most of them provide a simple usage environment for general users. In other words, there are few examples of highly efficient parallel processing of a single calculation. The main reasons are that although network communication is being accelerated, the communication speed is not high enough to be used for complex parallel computing, and the algorithm sufficient to utilize grid computing is immature.

一方,従来の分子構造最適化は,ガウシアン(Gaussian) 03 プログラムのように準ニュートン法に基づいて逐次的に行うアルゴリズムに基づいており,並列処理できなかった。準ニュートン法では,試行構造qk(ここで,ベクトルqkは,直前に計算されたk番目の試行構造の座標を表す)でのエネルギーの座標による一次微分のベクトルgkとその一次微分の変化に基づき更新していく近似ヘシアンBk(ここで,へシアンはエネルギーの座標による二次微分の行列を意味する。)を用いて,qk+1 = qk - Bk -1gk (式1)に従って,新規試行構造qk+1を得る作業を繰り返す。このため,新規試行構造は旧試行構造の計算が完了しないと決められないからであった。即ち,このアルゴリズムは並列化には不向きである。 On the other hand, conventional molecular structure optimization is based on an algorithm that is performed sequentially based on the quasi-Newton method, such as the Gaussian 03 program, and cannot be processed in parallel. In the quasi-Newton method, the vector g k of the first derivative with the coordinates of the energy in the trial structure q k (where the vector q k represents the coordinates of the k th trial structure calculated immediately before) and the first derivative Q k + 1 = q k -B k -1 g k using an approximate Hessian B k that is updated based on changes (where Hessian means a matrix of second derivative in terms of energy coordinates). The operation of obtaining a new trial structure q k + 1 is repeated according to (Equation 1). For this reason, the new trial structure cannot be determined unless the calculation of the old trial structure is completed. That is, this algorithm is not suitable for parallelization.

ところで,量子化学計算に関するグリッドコンピューティングの応用としては,産業総合研究所での量子化学計算グリッド 手法(下記非特許文献1)や,NEC等での生体分子の量子化学計算における活用手法(下記非特許文献2)がある。前者の手法は,広範囲な科学者や技術者に大規模量子化学計算の実行環境を提供しようとするものであり,大規模計算の高速化を目指したものではない。また,後者の手法では,QM/MM分子動力学法での活用に主眼が置かれている。従って,量子化学計算における分子構造最適化でのグリッドコンピューティングの応用例は無い。   By the way, applications of grid computing related to quantum chemistry calculations include quantum chemistry calculation grid methods at the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (Non-patent Document 1 below), and methods for utilizing biomolecules in quantum chemistry calculations at NEC, etc. There exists patent document 2). The former method is intended to provide a wide range of scientists and engineers with an execution environment for large-scale quantum chemical calculations, and is not intended to speed up large-scale calculations. The latter method focuses on the use of QM / MM molecular dynamics. Therefore, there is no application example of grid computing in molecular structure optimization in quantum chemical calculation.

一方,分子力場法に基づく,グリッドコンピューティングによる構造最適化の手法が,筑波大の中島等によってなされている(下記非特許文献3)。しかし,この手法は,数多く存在する立体配座のそれぞれを別々の計算機で構造最適化することで,高速化を成し遂げるようとするものである。即ち,この手法は一つの最安定構造を高速に求めようとする構造最適化に関してのものではない。ナノテクノロジー分野のシミュレーションでは,数多くの立体配座を求めることよりもむしろ,最安定な構造のみを高速に求めたい場合の方が多い。なぜなら,化学的経験で,大よその最安定構造は計算しなくとも予測できることも多いからである。   On the other hand, a structure optimization method using grid computing based on the molecular force field method has been made by Nakashima et al. Of Tsukuba University (Non-patent Document 3 below). However, this method is intended to achieve high speed by optimizing the structure of each of the many conformations using separate computers. That is, this method is not related to structure optimization that seeks to find one most stable structure at high speed. In simulations in the nanotechnology field, it is often the case that only the most stable structure is desired at a high speed, rather than many conformations. This is because, from chemical experience, the most stable structure can often be predicted without calculation.

以上のように,グリッドコンピューティングを活用した,一つの安定構造を最適化するアルゴリズムは,前例がない。
T. Nishikawa, et al., "Design and implementation of Intelligent Scheduler for Gaussian Portal on Quantum Chemistry Grid", Lecture Notes in Computer Science (LNCS) 2003, 2659, 244. 高田俊和等,"GRIDコンピューティングによるタンパク質の量子化学計算",分 子構造総合討論会2003講演要旨集,1Dp05. 中島佳宏等, "CONFLEX-G: OmniRPCによるグリッド環境上での分子立体配座探索 プログラムの実装と性能評価",情報処理学会論文誌コンピューティングシステム,2004, 45 , 254.
As described above, there is no precedent for an algorithm that optimizes a stable structure using grid computing.
T. Nishikawa, et al., "Design and implementation of Intelligent Scheduler for Gaussian Portal on Quantum Chemistry Grid", Lecture Notes in Computer Science (LNCS) 2003, 2659, 244. Toshikazu Takada et al., “Quantum chemical calculation of proteins using GRID computing”, Abstracts of the 2003 Annual Conference on Molecular Structures, 1Dp05. Yoshihiro Nakajima et al., “CONFLEX-G: Implementation and Performance Evaluation of Molecular Conformation Search Program on Grid Environment by OmniRPC”, IPSJ Transactions Computing System, 2004, 45, 254.

本発明は,従来に比べ高速に対象分子の最適化構造を解明できる分子構造最適化システムを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a molecular structure optimization system capable of elucidating an optimized structure of a target molecule at a higher speed than in the past.

本発明は,基本的には,多数の試行構造でのエネルギーの座標による一次微分の情報を集めれば,新しい試行構造を見出すのに必要なヘシアンを正確かつ高速に求めることができるという知見に基づく。すなわち,初期試行構造を複数発生させ,それらに関して別々のコンピュータを用いて並列的に一次微分の計算を実行させ,いずれかのコンピュータでの計算が終了するごとに計算結果からへシアンを更新して新たな試行構造を発生させ,新規試行構造に関しての一次微分の計算を実行させることを繰り返すことで,高速に構造最適化することができる。従来の構造最適化は,“ある一つ”の試行構造でのエネルギーの座標による一次微分を計算し,その計算結果からへシアンを更新して新たな試行構造を発生させ,新規試行構造に関しての一次微分の計算を実行させることを逐次的に繰り返していた。したがって,並列処理を行っても限界があったが,本発明のシステムでは,複数の試行構造を求めそれらに関する量子化学計算を同時に行うので,並列処理の利点を生かし,安定構造を迅速に求めることができる。   The present invention is basically based on the knowledge that, by collecting information on the first derivative based on energy coordinates in a large number of trial structures, the Hessian necessary for finding a new trial structure can be obtained accurately and at high speed. . In other words, multiple initial trial structures are generated, and the first derivative calculation is performed in parallel using different computers for each of them. Every time the calculation on one of the computers is completed, the cyan is updated from the calculation result. It is possible to optimize the structure at high speed by repeatedly generating a new trial structure and executing a first derivative calculation for the new trial structure. The conventional structure optimization calculates the first derivative of energy coordinates in a “one” trial structure, updates the cyan from the calculation result, generates a new trial structure, and creates a new trial structure. The calculation of the first derivative was repeated sequentially. Therefore, there is a limit even if parallel processing is performed, but in the system of the present invention, since a plurality of trial structures are obtained and quantum chemical calculations related to them are performed at the same time, a stable structure can be quickly obtained by taking advantage of parallel processing. Can do.

〔1〕 すなわち,本発明の分子構造最適化システムは,ホストコンピュータと,前記ホストコンピュータに連結された複数のクライアントコンピュータによって構成される分子構造最適化システムであって,前記ホストコンピュータは,前記ホストコンピュータが構造を最適化しようとする計算に関する情報を入力するための手段と,前記計算に関する情報を,前記複数のクライアントコンピュータに送信するための手段と,前記ホストコンピュータに構造を最適化しようとする分子の構造に関する情報を入力するための手段と, 前記入力された分子の構造に関する情報から,複数の試行構造を求めるための手段と,前記複数の試行構造に関する情報を,前記複数のクライアントコンピュータに送信するための手段と,前記各クライアントコンピュータがホストコンピュータへ送信した量子化学計算の結果に関する情報を受け取るための手段と,前記量子化学計算の結果に関する情報から,分子の構造が最適化されたかどうか判断するための手段と,分子の構造が最適化されていたと判断した場合は,各クライアントコンピュータへ量子化学計算を中止するように指令を出すための手段と,分子の構造が最適化されていなかったと判断した場合は,前記量子化学計算の結果に関する情報から,新たな試行構造を求めるための手段と,前記新たな試行構造に関する情報を,前記量子化学計算の結果を送信してきたクライアントコンピュータに送信するための手段と,を具備し,前記ホストコンピュータに連結されたクライアントコンピュータは,それぞれ,前記ホストコンピュータから送信された計算に関する情報を入力するための手段と,前記ホストコンピュータから送信された試行構造に関する情報を入力するための手段と,前記ホストコンピュータから送信された試行構造及び計算に関する情報を用いて,量子化学計算により前記試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分に関する情報を求めるための手段と,前記量子化学計算が終了したかどうか判断するための手段と,前記量子化学計算が終了したと判断した場合に,量子化学計算の結果に関する情報を前記ホストコンピュータに送信するための手段と,を具備し,前記ホストコンピュータに,構造を最適化しようとする計算に関する情報を入力する工程と,前記ホストコンピュータが,前記計算に関する情報を,前記複数のクライアントコンピュータに送信する工程と,前記ホストコンピュータに,構造を最適化しようとする分子の構造に関する情報を入力する工程と,前記ホストコンピュータが,前記入力された分子の構造に関する情報から複数の試行構造を求める工程と,前記ホストコンピュータが,前記複数の試行構造に関する情報を,前記複数のクライアントコンピュータに送信する工程と,前記ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記ホストコンピュータから送信された計算に関する情報を入力する工程と,前記ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記ホストコンピュータから送信された試行構造に関する情報を入力する工程と,前記ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記ホストコンピュータから送信された試行構造及び計算に関する情報を用いて,量子化学計算により前記試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分に関する情報を求める工程と,前記ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記量子化学計算が終了したかどうか判断する工程と,前記ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記量子化学計算が終了したと判断した場合に,量子化学計算の結果に関する情報を前記ホストコンピュータに送信する工程と,前記ホストコンピュータが,前記クライアントコンピュータがホストコンピュータへ送信した量子化学計算の結果に関する情報を受け取る工程と,前記ホストコンピュータが,前記量子化学計算の結果に関する情報から,分子の構造が最適化されたかどうか判断する工程と,前記ホストコンピュータが,分子の構造が最適化されていたと判断した場合は,各クライアントコンピュータへ量子化学計算を中止するように指令を出す工程と,前記ホストコンピュータが,分子の構造が最適化されていなかったと判断した場合は,前記量子化学計算の結果に関する情報から,新たな試行構造を求める工程と,前記新たな試行構造に関する情報を,前記量子化学計算の結果を送信してきたクライアントコンピュータに送信する工程と,を含む工程により分子の安定構造を求める,分子の安定構造を求めるための分子構造最適化システムである。 [1] That is, the molecular structure optimization system of the present invention is a molecular structure optimization system including a host computer and a plurality of client computers connected to the host computer. Means for a computer to input information relating to a computation whose structure is to be optimized; means for transmitting information relating to said computation to said plurality of client computers; and means for optimizing the structure in said host computer Means for inputting information relating to the structure of the molecule; means for obtaining a plurality of trial structures from the information relating to the structure of the inputted molecule; and information relating to the plurality of trial structures to the plurality of client computers. Means for sending and each of said clients Means for receiving information on the results of quantum chemistry calculations sent by the computer to the host computer, means for determining whether the structure of the molecules has been optimized from the information on the results of the quantum chemistry calculations, and the structure of the molecules If it is determined that the structure of the molecule has not been optimized, and if it is determined that the structure of the molecule has not been optimized, Means for obtaining a new trial structure from the information on the result of the method, and means for transmitting the information on the new trial structure to the client computer that has transmitted the result of the quantum chemical calculation, Each client computer connected to the host computer is the host computer. Means for inputting information relating to the calculation transmitted from the host computer, means for inputting information relating to the trial structure transmitted from the host computer, and information relating to the trial structure and calculation transmitted from the host computer. , Means for obtaining information on the first derivative of the energy in the trial structure by means of quantum chemical calculation, means for determining whether or not the quantum chemical calculation is completed, and determining that the quantum chemical calculation has been completed Means for transmitting information relating to the results of quantum chemical calculations to the host computer, and inputting information relating to calculations to optimize the structure to the host computer; A computer transmits information about the calculation to the plurality of client computers. Transmitting to the host computer, inputting to the host computer information regarding the structure of the molecule whose structure is to be optimized, and the host computer obtaining a plurality of trial structures from the input information regarding the structure of the molecule A step in which the host computer transmits information about the plurality of trial structures to the plurality of client computers, and a calculation in which each client computer connected to the host computer transmits from the host computer. A step of inputting information, a step of each client computer connected to the host computer inputting information on a trial structure transmitted from the host computer, and a client computer connected to the host computer. A computer using the information on the trial structure and calculation sent from the host computer to obtain information on the first derivative of the energy in the trial structure by coordinates using quantum chemical calculation, and each connected to the host computer The client computer determines whether or not the quantum chemical calculation has been completed, and each client computer connected to the host computer determines that the quantum chemical calculation has been completed. Transmitting information on the host computer, the host computer receiving information on the result of quantum chemical calculation transmitted from the client computer to the host computer, and the host computer calculating the quantum chemical calculation. From the information on the results, the step of judging whether the structure of the molecule has been optimized, and if the host computer judges that the structure of the molecule has been optimized, the quantum chemical calculation is stopped to each client computer. Issuing a command, and if the host computer determines that the structure of the molecule has not been optimized, obtaining a new trial structure from information relating to the result of the quantum chemical calculation, and the new trial structure A molecular structure optimizing system for obtaining a stable structure of a molecule, wherein a stable structure of the molecule is obtained by a process including a step of transmitting information relating to the client computer that has transmitted the result of the quantum chemical calculation.

〔2〕 また,本発明の分子構造最適化システムの好ましい態様は,前記“ホストコンピュータ”は,前記クライアントコンピュータが有する全ての手段を具備し,ホストコンピュータも前記複数のクライアントコンピュータのひとつとして機能する, 上記の〔1〕に記載の分子構造最適化システムである。 [2] Further, in a preferred embodiment of the molecular structure optimization system of the present invention, the “host computer” includes all the means included in the client computer, and the host computer functions as one of the plurality of client computers. The molecular structure optimization system according to [1] above.

〔3〕 また,本発明の分子構造最適化システムの好ましい態様は,前記“ホストコンピュータが構造を最適化しようとする計算に関する情報を入力するための手段”における“計算に関する情報”は,理論レベル,基底関数,及びスピン多重度を考慮するかどうかに関する情報を含む,上記のいずれかに記載の分子構造最適化システムである。 [3] Further, in a preferred embodiment of the molecular structure optimization system of the present invention, “calculation information” in the “means for the host computer to input information related to the calculation to optimize the structure” is a theoretical level. , Basis functions, and molecular structure optimization system according to any of the above, comprising information on whether to consider spin multiplicity.

〔4〕 また,本発明の分子構造最適化システムの好ましい態様は,前記“ホストコンピュータに構造を最適化しようとする分子の構造に関する情報を入力するための手段”における“分子の構造に関する情報”は,分子の構成元素に関する情報,又は分子の構成元素とそれらの位置関係に関する情報のいずれかである上記のいずれかに記載の分子構造最適化システムである。 [4] Also, a preferred embodiment of the molecular structure optimization system of the present invention is the “information about the structure of the molecule” in the “means for inputting information about the structure of the molecule whose structure is to be optimized to the host computer”. Is a molecular structure optimization system according to any one of the above, which is either information on constituent elements of molecules or information on constituent elements of molecules and their positional relationships.

〔5〕 また,本発明の分子構造最適化システムの好ましい態様は,前記“複数の試行構造を求めるための手段”は,前記入力された分子の構造に関する情報からあらかじめ設定した数値に基づき,構成分子の分子間距離及び構成分子のなす角を変化させた複数の分子構造の候補を求めるものである,上記のいずれかに記載の分子構造最適化システムである。 [5] Further, in a preferred aspect of the molecular structure optimization system of the present invention, the “means for obtaining a plurality of trial structures” is configured based on numerical values set in advance from the inputted information on the structure of the molecule. The molecular structure optimization system according to any one of the above, wherein a plurality of molecular structure candidates in which an intermolecular distance of molecules and an angle between constituent molecules are changed are obtained.

〔6〕 また,本発明の分子構造最適化システムの好ましい態様は,前記“複数の試行構造を求めるための手段”は,前記入力された分子の構造に関する情報が,分子の部分構成に関する情報である場合,あらかじめ登録された前記分子を構成する分子(部分分子)の安定構造に関する情報から,分子の構造に関する初期構造を求め,前記初期構造の構成分子の分子間距離及び構成分子のなす角を変化させた複数の試行構造を求めるものである,上記のいずれかに記載の分子構造最適化システムである。 [6] Further, in a preferred aspect of the molecular structure optimization system of the present invention, the “means for obtaining a plurality of trial structures” is the information regarding the inputted molecular structure is information regarding a partial structure of the molecule. In some cases, the initial structure related to the structure of the molecule is obtained from information on the stable structure of the molecule (partial molecule) constituting the molecule registered in advance, and the intermolecular distance between the constituent molecules of the initial structure and the angle formed by the constituent molecules are calculated. The molecular structure optimization system according to any one of the above, wherein a plurality of changed trial structures are obtained.

〔7〕また,本発明の分子構造最適化システムの好ましい態様は,前記“前記各クライアントコンピュータがホストコンピュータへ送信した量子化学計算の結果に関する情報を受け取るための手段”における“量子化学計算”は,量子化学計算,分子力場計算,密度汎関数計算,分子軌道計算,パラメーターを用いた分子計算,のいずれか,または,これらの複合計算である,上記のいずれかに記載の分子構造最適化システムである。 [7] In addition, a preferred embodiment of the molecular structure optimization system of the present invention is the “quantum chemical calculation” in the “means for receiving information on the result of the quantum chemical calculation transmitted from each client computer to the host computer”. , Quantum chemical calculation, molecular force field calculation, density functional calculation, molecular orbital calculation, molecular calculation using parameters, or a combination of these, the molecular structure optimization according to any of the above System.

〔8〕 また,本発明の分子構造最適化システムの好ましい態様は,前記“量子化学計算の結果に関する情報から,分子の構造が最適化されたかどうか判断するための手段”は,量子化学計算により求められた“試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分”ベクトルの絶対値が,一定値以下であるかどうか判断するものである,上記のいずれかに記載の分子構造最適化システムである。 [8] In addition, a preferred embodiment of the molecular structure optimization system of the present invention is the above-mentioned “means for judging whether or not the molecular structure is optimized from the information on the result of quantum chemical calculation” by quantum chemical calculation. The molecular structure optimization system according to any one of the above, wherein it is determined whether or not the absolute value of the obtained “first-order differential of energy in the trial structure by coordinates” vector is a certain value or less.

〔9〕 また,本発明の分子構造最適化システムの好ましい態様は,前記“量子化学計算の結果に関する情報から,分子の構造が最適化されたかどうか判断するための手段”における“量子化学計算の結果に関する情報”は,“試行構造におけるエネルギーの値に関する情報”,及び“試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分の値に関する情報”,を含む,上記のいずれかに記載の分子構造最適化システムである。 [9] Further, a preferred embodiment of the molecular structure optimization system of the present invention is the “quantum chemistry calculation system” in the “means for judging whether the molecular structure is optimized from the information on the result of the quantum chemistry calculation”. Molecular information optimization system according to any of the above, wherein “information about the result” includes “information about the energy value in the trial structure” and “information about the value of the first derivative of the energy in the trial structure by coordinates” It is.

〔10〕 また,本発明の分子構造最適化システムの好ましい態様は,前記“量子化学計算の結果に関する情報から,新たな試行構造を求めるための手段”における“量子化学計算の結果に関する情報”は,“試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分の値に関する情報”,を含み,前記“量子化学計算の結果に関する情報から,新たな試行構造を求めるための手段”は,前記“試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分の値に関する情報”,に基づいて試行構造におけるエネルギーの,ヘシアンに関する情報を更新し,新たな試行構造を求めるものである,上記のいずれかに記載の分子構造最適化システムである。 [10] Also, a preferred embodiment of the molecular structure optimization system of the present invention is that “information about the result of quantum chemical calculation” in the “means for obtaining a new trial structure from information about the result of quantum chemical calculation” is , “Information on the value of the first derivative of the energy in the trial structure by coordinates”, and the “means for obtaining a new trial structure from the information on the result of the quantum chemical calculation” is the “energy in the trial structure” The molecular structure optimization system according to any one of the above, wherein the information on the hessian of the energy in the trial structure is updated based on the "information on the value of the first derivative by coordinates" to obtain a new trial structure It is.

〔11〕 また,本発明の分子構造最適化システムの好ましい態様は,前記“量子化学計算の結果に関する情報から,新たな試行構造を求めるための手段”における“量子化学計算の結果に関する情報”は,“試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分の値に関する情報”,を含み,前記“量子化学計算の結果に関する情報から,新たな試行構造を求めるための手段”は,“前記試行構造に関する情報”,“他のコンピュータが求めたものも含めたエネルギーの最も低い構造におけるエネルギーの,座標による一次微分の値に関する情報”と,前記“試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分の値に関する情報”,に基づいて試行構造におけるエネルギーの,ヘシアンに関する情報を更新し,新たな試行構造を求めるものである,上記のいずれかに記載の分子構造最適化システムである。 [11] In addition, a preferable aspect of the molecular structure optimization system of the present invention is that “information about the result of quantum chemical calculation” in the “means for obtaining a new trial structure from information about the result of quantum chemical calculation” is , “Information on the value of the first derivative of the energy in the trial structure by coordinates”, and the “means for obtaining a new trial structure from the information on the result of the quantum chemical calculation” is “information on the trial structure” "," Information about the value of the first derivative by coordinates of energy in the structure with the lowest energy including those obtained by other computers "and" Information on the value of the first derivative by coordinates of energy in the trial structure " Based on, the information about the Hessian of the energy in the trial structure is updated, and a new trial structure is obtained. A molecular structure optimization system according to any one of the above.

〔12〕 また,本発明の分子構造最適化システムの好ましい態様は,前記“量子化学計算の結果に関する情報から,新たな試行構造を求めるための手段”における“量子化学計算の結果に関する情報”は,“試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分の値に関する情報”,を含み,前記“量子化学計算の結果に関する情報から,新たな試行構造を求めるための手段”は,前記“試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分の値に関する情報”,に基づいて試行構造におけるエネルギーの,ヘシアンに関する情報を求め,前記ヘシアンに関する情報から正値をとる有効ヘシアンの情報を求め,前記試行構造に関する情報,前記有効ヘシアンに関する情報,及び“試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分の値に関する情報”から新たな試行構造を求めるものである,上記のいずれかに記載の分子構造最適化システムである。 [12] In addition, a preferable aspect of the molecular structure optimization system of the present invention is that “information about the result of quantum chemical calculation” in the “means for obtaining a new trial structure from information about the result of quantum chemical calculation” is , “Information on the value of the first derivative of the energy in the trial structure by coordinates”, and the “means for obtaining a new trial structure from the information on the result of the quantum chemical calculation” is the “energy in the trial structure” Information on the value of the first derivative by coordinates ”, information on the Hessian of the energy in the trial structure, information on the effective Hessian taking a positive value from the information on the Hessian, information on the trial structure, Information on the effective Hessian and “on the value of the first derivative by coordinates of the energy in the trial structure The molecular structure optimization system according to any one of the above, wherein a new trial structure is obtained from "information".

〔13〕 また,本発明の分子構造最適化システムの好ましい態様は,前記“量子化学計算の結果に関する情報から,新たな試行構造を求めるための手段”における“量子化学計算の結果に関する情報”は,試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分の値に関する情報”,を含み,前記“量子化学計算の結果に関する情報から,新たな試行構造を求めるための手段”は,前記新たな試行構造を,直前に計算された試行構造のエネルギーが最低の場合は式(I)により求め,直前に計算された試行構造のエネルギーが最低でない場合は式(II)により求めるものである上記のいずれかに記載の分子構造最適化システムである。 [13] In addition, a preferable aspect of the molecular structure optimization system of the present invention is that the “information about the result of quantum chemical calculation” in the “means for obtaining a new trial structure from the information about the result of quantum chemical calculation” is , “Information on the value of the first derivative of the energy in the trial structure by coordinates”, and the “means for obtaining a new trial structure from information on the result of quantum chemical calculation” includes the new trial structure, Any one of the above, wherein when the energy of the trial structure calculated immediately before is lowest, the energy is obtained by the equation (I), and when the energy of the trial structure calculated immediately before is not the lowest, the energy is obtained by the equation (II). This is a molecular structure optimization system.

Figure 0004729889
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(式(I)及び式(II)中,ベクトルqnewは,新たな試行構造の座標を表す。ベクトルqkは,直前に計算された試行構造の座標を表す。下付文字kは,量子化学計算が終了した順番を表す。行列βkはk番目の試行構造における有効ヘシアンを表す。gkは,“k番目の試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分”に関するベクトルを表す。Lproj k,rは,ベクトル−βk -1l に直交する多数の固有ベクトルからランダムに選ばれた一つの固有ベクトルであり,スカラーCはスケール因子である。また,ベクトルqlは,直前に計算された試行構造のエネルギーがk番目までの全ての試行構造の中で最低でない場合,k番目までの全ての試行構造の中でエネルギーが最も低い試行構造の座標を表し,直前に計算された試行構造のエネルギーがk番目までの全ての試行構造の中で最も低い場合,全ての試行構造の中で直前に計算された試行構造の最も近傍にある試行構造の座標を表す。) (In equations (I) and (II), the vector q new represents the coordinates of the new trial structure. The vector q k represents the coordinates of the trial structure calculated immediately before. The subscript k represents the quantum representing the order in which the chemical calculation has ended. matrices beta k is .g k that represent the Hessian at the k-th trial structure, .L proj representing a vector for "the energy in the k-th trial structure, first derivative by the coordinate" k, r is one eigenvector randomly selected from a number of eigenvectors orthogonal to the vector −β k −1 g l , scalar C is a scale factor, and vector q l is calculated immediately before If the energy of the trial structure is not the lowest among all trial structures up to the kth, it represents the coordinate of the trial structure with the lowest energy among all trial structures up to the kth, and the trial structure calculated immediately before Energy is kth Representing all of the cases the lowest among trial structural coordinates of trial structures most in the vicinity of the calculated attempted structure just before in all trials structures in.)

〔14〕また,本発明の分子構造最適化システムの好ましい態様は,前記有効ヘシアン(βk)の初期値として,すなわちβ1として,単位行列,又は二次微分行列(あらかじめ低い計算レベルで計算されたエネルギーの座標による二次微分行列,若しくは,上記のいずれかの量子化学計算で計算されたエネルギーの座標による二次微分行列)を用いる上記のいずれかに記載の分子構造最適化システムである。 [14] Also, a preferred embodiment of the molecular structure optimization system of the present invention is that the initial value of the effective Hessian (β k ), that is, β 1 is used as a unit matrix or a secondary differential matrix (calculated in advance at a low calculation level). The molecular structure optimization system according to any one of the above, which uses a second-order differential matrix based on the coordinates of the generated energy or a second-order differential matrix based on the energy coordinates calculated in any of the quantum chemical calculations described above. .

〔15〕 また,本発明の分子構造最適化システムの好ましい態様は,前記有効ヘシアン(βk)として,下記式(III)〜式(V)のいずれかにより表される暫定へシアン(Bk)を用いる上記のいずれかに記載の分子構造最適化システムである。 [15] In addition, a preferred embodiment of the molecular structure optimization system of the present invention is a provisional hessian (B k ) represented by any one of the following formulas (III) to (V) as the effective hessian (β k ): ) Using any one of the above-described molecular structure optimization systems.

Figure 0004729889
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(式(III)中,太文字の1は単位行列を表し,Δqk-l=qk−qlであり,Δgk-l=gk−glである。以下,同様である。) (In the formula (III), the bold letter 1 represents a unit matrix, Δq kl = q k −q l , Δg kl = g k −g l , and so on.)

Figure 0004729889
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Figure 0004729889
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〔16〕 また,本発明の分子構造最適化システムの好ましい態様は,
前記有効ヘシアン(βk)として,上記に記載の暫定へシアン(Bk)のいずれかが正値でかつ下記式(VI)を満たす場合には当該暫定ヘシアンを用い,
それ以外の場合は,下記式(VII)を用いる上記のいずれかに記載の分子構造最適化システムである。なお,いずれか2つ以上の暫定ヘシアンが正値かつ(VI)を満たす場合は,任意に暫定ヘシアンを選ぶことができる。
[16] Further, a preferred embodiment of the molecular structure optimization system of the present invention is:
As the effective hessian (β k ), when any of the provisional hessians (B k ) described above is a positive value and satisfies the following formula (VI), the provisional hessian is used.
Otherwise, the molecular structure optimization system according to any one of the above, using the following formula (VII). If any two or more provisional hessians are positive and satisfy (VI), the provisional hessian can be selected arbitrarily.

Figure 0004729889
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上記式(VI)及び(VII)中,gmは,k番目までの全ての試行構造の中でエネルギーが最も低い試行構造(m番目の試行構造とする)での,エネルギーの座標による一次微分ベクトルである。スカラーRk maxは,探索距離の限界値である。ωkは,有効へシアンが正値になり,関係式(VIII)を満たすように求められるスカラーである。 In the above formulas (VI) and (VII), g m is the first derivative in terms of energy coordinates in the trial structure with the lowest energy among all the trial structures up to the k-th (referred to as the m-th trial structure). Is a vector. The scalar R k max is the search distance limit. ω k is a scalar that is obtained so that effective Hessian has a positive value and satisfies the relational expression (VIII).

Figure 0004729889
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〔17〕 また,本発明の分子構造最適化システムの好ましい態様は,前記Rk maxの初期値として,すなわちR1 maxとして,0.0から10.0のいずれかの値を用いる上記のいずれかに記載の分子構造最適化システムである。 [17] In addition, a preferred embodiment of the molecular structure optimization system of the present invention is any one of the above, wherein any value of 0.0 to 10.0 is used as the initial value of R k max , ie, R 1 max . It is a molecular structure optimization system.

〔18〕 また,本発明の分子構造最適化システムの好ましい態様は,
前記Rk maxとして,直前の試行構造qkが,n番目の試行構造qn及びエネルギーの座標による一次微分ベクトルgn及びo番目のへシアンBoを用いて見出された構造であって,k番目までの試行構造の中で,直前の構造qkのエネルギーが最低の場合若しくはn番目の試行構造qnが最低のエネルギーを有する場合,下記式(IX)を用い,そうでない場合,Rk max=Rk-1 maxを用いる上記のいずれかに記載の分子構造最適化システムである。
[18] Further, a preferred embodiment of the molecular structure optimization system of the present invention is:
As R k max , the immediately preceding trial structure q k is a structure found using the n th trial structure q n and the first derivative vector g n by the energy coordinates and the o th Hessian B o. , If the energy of the immediately preceding structure q k is the lowest among the trial structures up to k , or if the n th trial structure q n has the lowest energy, use the following formula (IX), otherwise The molecular structure optimization system according to any one of the above, using R k max = R k-1 max .

Figure 0004729889
Figure 0004729889

(上記式においてE(qi)は,量子化学計算によって求められた,試行構造qiでのエネルギーである。) (In the above equation, E (q i ) is the energy in the trial structure q i obtained by quantum chemical calculation.)

〔19〕 また,本発明の分子構造最適化システムの好ましい態様は,前記Lproj k,rとして,下記式(X)を満たすものを用いる上記のいずれかに記載の分子構造最適化システムである。 [19] Further, a preferred embodiment of the molecular structure optimization system of the present invention is the molecular structure optimization system according to any one of the above, wherein L proj k, r satisfies the following formula (X): .

Figure 0004729889
(上記式においてNは,自由度の数を表す。)
Figure 0004729889
(In the above formula, N represents the number of degrees of freedom.)

〔20〕 また,本発明の分子構造最適化システムの好ましい態様は,前記スケール因子Cとして,〔17〕に定義されるλproj k,rがλproj k,r 2<0の場合,下記式(XI)を用い,λproj k,r 2≧0の場合,下記式(XII)を用いる上記のいずれかに記載の分子構造最適化システムである。 [20] Further, in a preferred embodiment of the molecular structure optimization system of the present invention, when λ proj k, r defined in [17] is λ proj k, r 2 <0 as the scale factor C, When (λ) is used and λ proj k, r 2 ≧ 0, the molecular structure optimization system according to any one of the above, using the following formula (XII):

Figure 0004729889
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〔21〕 また,本発明の分子構造最適化システムの好ましい態様は,前記スケール因子Cとして,C=0を用いる上記のいずれかに記載の分子構造最適化システムである。 [21] A preferred embodiment of the molecular structure optimization system of the present invention is the molecular structure optimization system according to any one of the above, wherein C = 0 is used as the scale factor C.

〔22〕 また,本発明の分子構造最適化システムの好ましい態様は,“前記ホストコンピュータから送信された試行構造及び計算に関する情報を用いて,量子化学計算により前記試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分に関する情報を求めるための手段”における,“座標”は,分子を構成する原子の相対的位置関係を表す,原子間距離,3原子の接続角,4原子の2面対角,を含む内部座標である,上記のいずれかに記載の分子構造最適化システムである。 [22] In addition, a preferred embodiment of the molecular structure optimization system of the present invention is “primary by coordinates of energy in the trial structure by quantum chemical calculation using the information on the trial structure and calculation transmitted from the host computer. “Coordinates” in “Means for Deriving Information on Differentiation” indicate the relative positional relationship of atoms constituting the molecule, including interatomic distance, connection angle of 3 atoms, and dihedral diagonal of 4 atoms. The molecular structure optimization system according to any one of the above, which is a coordinate.

〔23〕 また,本発明の分子構造最適化システムの好ましい態様は,“前記ホストコンピュータから送信された試行構造及び計算に関する情報を用いて,量子化学計算により前記試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分に関する情報を求めるための手段”における,“座標”は,分子を構成する原子の位置を表す,デカルト座標である,上記のいずれかに記載の分子構造最適化システムである。 [23] In addition, a preferred embodiment of the molecular structure optimization system of the present invention is “primary by coordinates of energy in the trial structure by quantum chemical calculation using the information on the trial structure and calculation transmitted from the host computer. In the “means for obtaining information relating to differentiation”, “coordinates” is the molecular structure optimization system according to any one of the above, which is Cartesian coordinates representing the positions of atoms constituting the molecule.

〔24〕 また,本発明の分子構造最適化システムの好ましい態様は,“前記ホストコンピュータから送信された試行構造に関する情報を用いて,量子化学計算により前記試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分に関する情報を求めるための手段”における,“前記試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分に関する情報”は,“試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分の値に関する情報”,及び“試行構造におけるエネルギー”を含む,上記のいずれかに記載の分子構造最適化システムである。ここで, エネルギーの,座標による一次微分は,ポテンシャルエネルギーの勾配を表す。 [24] In addition, a preferred embodiment of the molecular structure optimization system of the present invention relates to “first-order differentiation of energy in the trial structure by coordinates using quantum chemical calculation using information on the trial structure transmitted from the host computer. In the “means for obtaining information”, “information on the first derivative of the energy in the trial structure by coordinates” is “information on the value of the first derivative of the energy in the trial structure by coordinates” and “energy in the trial structure” The molecular structure optimization system according to any one of the above, comprising: Here, the first derivative of energy by coordinates represents the gradient of potential energy.

〔25〕 また,本発明の分子構造最適化システムの好ましい態様は,“前記ホストコンピュータから送信された試行構造及び計算に関する情報を用いて,量子化学計算により前記試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分に関する情報を求めるための手段”は,前記“ホストコンピュータが構造を最適化しようとする計算に関する情報を入力するための手段”における“計算に関する情報”に基づいて,量子化学計算を行う,上記のいずれかに記載の分子構造最適化システムである。 [25] In addition, a preferred embodiment of the molecular structure optimization system of the present invention is “primary by coordinate of energy in the trial structure by quantum chemical calculation using the information on the trial structure and calculation transmitted from the host computer. "Means for obtaining information relating to differentiation" is a quantum chemical calculation based on "information relating to calculation" in the above-mentioned "means for inputting information relating to calculation for which the host computer intends to optimize the structure". The molecular structure optimization system according to any one of the above.

〔26〕 本発明の分子構造最適化方法は,ホストコンピュータと,前記ホストコンピュータに連結された複数のクライアントコンピュータによって構成される分子構造最適化システムを用いた分子の安定構造を求めるための分子構造最適化方法であって,前記ホストコンピュータに,構造を最適化しようとする計算に関する情報を入力する工程と,前記ホストコンピュータが,前記計算に関する情報を,前記複数のクライアントコンピュータに送信する工程と,前記ホストコンピュータに,構造を最適化しようとする分子の構造に関する情報を入力する工程と,前記ホストコンピュータが,前記入力された分子の構造に関する情報から複数の試行構造を求める工程と,前記ホストコンピュータが,前記複数の試行構造に関する情報を,前記複数のクライアントコンピュータに送信する工程と,前記ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記ホストコンピュータから送信された計算に関する情報を入力する工程と,前記ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記ホストコンピュータから送信された試行構造に関する情報を入力する工程と,前記ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記ホストコンピュータから送信された試行構造及び計算に関する情報を用いて,量子化学計算により前記試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分に関する情報を求める工程と,前記ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記量子化学計算が終了したかどうか判断する工程と,前記ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記量子化学計算が終了したと判断した場合に,量子化学計算の結果に関する情報を前記ホストコンピュータに送信する工程と,前記ホストコンピュータが,前記クライアントコンピュータがホストコンピュータへ送信した量子化学計算の結果に関する情報を受け取る工程と,前記ホストコンピュータが,前記量子化学計算の結果に関する情報から,分子の構造が最適化されたかどうか判断する工程と,前記ホストコンピュータが,分子の構造が最適化されていたと判断した場合は,各クライアントコンピュータへ量子化学計算を中止するように指令を出す工程と,前記ホストコンピュータが,分子の構造が最適化されていなかったと判断した場合は,前記量子化学計算の結果に関する情報から,新たな試行構造を求める工程と,前記新たな試行構造に関する情報を,前記量子化学計算の結果を送信してきたクライアントコンピュータに送信する工程と,を含む,分子構造最適化方法である。 [26] The molecular structure optimization method of the present invention comprises a molecular structure for obtaining a stable structure of a molecule using a molecular structure optimization system comprising a host computer and a plurality of client computers connected to the host computer. An optimization method, the step of inputting information relating to a calculation whose structure is to be optimized to the host computer, the step of the host computer sending information relating to the calculation to the plurality of client computers, A step of inputting information relating to a structure of a molecule whose structure is to be optimized to the host computer, a step of obtaining a plurality of trial structures from the inputted information relating to the structure of the molecule, and the host computer; Information about the plurality of trial structures Transmitting to the client computer, a step in which each client computer connected to the host computer inputs information relating to a calculation transmitted from the host computer, and a client computer connected to the host computer. , Inputting information on the trial structure transmitted from the host computer, and each client computer connected to the host computer uses the information on the trial structure and calculation transmitted from the host computer to Obtaining information on the first derivative of the energy in the trial structure by coordinates, by calculation, and each client computer connected to the host computer performs the quantum chemistry calculation. A step of determining whether or not each of the client computers connected to the host computer determines that the quantum chemical calculation has been completed, and a step of transmitting information relating to the result of the quantum chemical calculation to the host computer. The host computer receives information on the result of the quantum chemical calculation transmitted from the client computer to the host computer, and the host computer optimizes the molecular structure from the information on the result of the quantum chemical calculation. And if the host computer determines that the structure of the molecule has been optimized, the step of issuing a command to each client computer to stop the quantum chemical calculation, and the host computer The structure of is not optimized If it is determined, the step of obtaining a new trial structure from the information on the result of the quantum chemistry calculation and the information on the new trial structure are transmitted to the client computer that has transmitted the result of the quantum chemistry calculation. A molecular structure optimization method including a process.

本発明によれば,準ニュートン法とは異なるアルゴリズムを用いた量子化学計算を行うことで,複数のコンピュータによる並列計算を可能とし,それにより従来に比べ高速に対象分子の最適化構造を解明できる分子構造最適化システムを提供できる。   According to the present invention, by performing quantum chemical calculation using an algorithm different from the quasi-Newton method, it is possible to perform parallel calculation by a plurality of computers, thereby elucidating the optimized structure of the target molecule faster than before. A molecular structure optimization system can be provided.

1.分子構造最適化システム
本発明の分子構造最適化システムは,ホストコンピュータと,前記ホストコンピュータに連結された複数のクライアントコンピュータによって構成される分子構造最適化システムであって,(A)前記ホストコンピュータは,(A-1)前記ホストコンピュータが構造を最適化しようとする計算に関する情報を入力するための手段と,(A-2)前記計算に関する情報を,前記複数のクライアントコンピュータに送信するための手段と,(A-3)前記ホストコンピュータに構造を最適化しようとする分子の構造に関する情報を入力するための手段と,(A-4)前記入力された分子の構造に関する情報から,複数の試行構造を求めるための手段と,(A-5) 前記複数の試行構造に関する情報を,前記複数のクライアントコンピュータに送信するための手段と,(A-6)前記各クライアントコンピュータがホストコンピュータへ送信した量子化学計算の結果に関する情報を受け取るための手段と,(A-7)前記量子化学計算の結果に関する情報から,分子の構造が最適化されたかどうか判断するための手段と,(A-8)分子の構造が最適化されていたと判断した場合は,各クライアントコンピュータへ量子化学計算を中止するように指令を出すための手段と,(A-9)分子の構造が最適化されていなかったと判断した場合は,前記量子化学計算の結果に関する情報から,新たな試行構造を求めるための手段と,(A-10)前記新たな試行構造に関する情報を,前記量子化学計算の結果を送信してきたクライアントコンピュータに送信するための手段と,を具備し,(B)前記ホストコンピュータに連結されたクライアントコンピュータは,それぞれ,(B-1) 前記ホストコンピュータから送信された計算に関する情報を入力するための手段と, (B-2) 前記ホストコンピュータから送信された試行構造に関する情報を入力するための手段と, (B-3)前記ホストコンピュータから送信された試行構造及び計算に関する情報を用いて,量子化学計算により前記試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分に関する情報を求めるための手段と,(B-4)前記量子化学計算が終了したかどうか判断するための手段と,(B-5)前記量子化学計算が終了したと判断した場合に,量子化学計算の結果に関する情報を前記ホストコンピュータに送信するための手段と,を具備する。
1. Molecular structure optimization system The molecular structure optimization system of the present invention is a molecular structure optimization system comprising a host computer and a plurality of client computers connected to the host computer, wherein (A) the host computer is , (A-1) means for inputting information related to the calculation to be optimized by the host computer, and (A-2) means for transmitting the information related to the calculation to the plurality of client computers. (A-3) means for inputting information on the structure of the molecule whose structure is to be optimized to the host computer, and (A-4) a plurality of trials based on the inputted information on the structure of the molecule. Means for determining a structure; and (A-5) information about the plurality of trial structures to the plurality of client computers. Means for transmitting, (A-6) means for receiving information on the result of quantum chemistry calculation transmitted from each client computer to the host computer, and (A-7) information on the result of quantum chemistry calculation , Means to determine whether the molecular structure has been optimized, and (A-8) if it is determined that the molecular structure has been optimized, it instructs each client computer to stop the quantum chemical calculation. And (A-9) means for obtaining a new trial structure from the information on the result of the quantum chemical calculation, and (A-9) 10) means for transmitting information on the new trial structure to the client computer that has transmitted the result of the quantum chemical calculation, and (B) the host computer. Each of the connected client computers has (B-1) means for inputting information related to the calculation transmitted from the host computer, and (B-2) inputs information regarding the trial structure transmitted from the host computer. And (B-3) means for obtaining information relating to the first derivative of the energy of the trial structure by means of quantum chemical calculation using coordinates, using information on the trial structure and calculation transmitted from the host computer. (B-4) means for determining whether or not the quantum chemistry calculation is completed; and (B-5) information regarding the result of the quantum chemistry calculation when it is determined that the quantum chemistry calculation is completed. Means for transmitting to the host computer.

そして,前記ホストコンピュータに,構造を最適化しようとする計算に関する情報を入力する工程(ステップ1)と,前記ホストコンピュータが,前記計算に関する情報を,前記複数のクライアントコンピュータに送信する工程(ステップ2)と,前記ホストコンピュータに,構造を最適化しようとする分子の構造に関する情報を入力する工程(ステップ3)と,前記ホストコンピュータが,前記入力された分子の構造に関する情報から複数の試行構造を求める工程(ステップ4)と,前記ホストコンピュータが,前記複数の試行構造に関する情報を,前記複数のクライアントコンピュータに送信する工程(ステップ5)と,前記ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記ホストコンピュータから送信された計算に関する情報を入力する工程(ステップ6)と,前記ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記ホストコンピュータから送信された試行構造に関する情報を入力する工程(ステップ7)と,前記ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記ホストコンピュータから送信された試行構造及び計算に関する情報を用いて,量子化学計算により前記試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分に関する情報を求める工程(ステップ8)と,前記ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記量子化学計算が終了したかどうか判断する工程(ステップ9)と,前記ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記量子化学計算が終了したと判断した場合に,量子化学計算の結果に関する情報を前記ホストコンピュータに送信する工程(ステップ10)と, 前記ホストコンピュータが,前記クライアントコンピュータがホストコンピュータへ送信した量子化学計算の結果に関する情報を受け取る工程(ステップ11)と,前記ホストコンピュータが,前記量子化学計算の結果に関する情報から,分子の構造が最適化されたかどうか判断する工程(ステップ12)と,前記ホストコンピュータが,分子の構造が最適化されていたと判断した場合は,各クライアントコンピュータへ量子化学計算を中止するように指令を出す工程(ステップ13)と,前記ホストコンピュータが,分子の構造が最適化されていなかったと判断した場合は,前記量子化学計算の結果に関する情報から,新たな試行構造を求める工程(ステップ14)と,前記新たな試行構造に関する情報を,前記量子化学計算の結果を送信してきたクライアントコンピュータに送信する工程(ステップ15)と,を含む工程により分子の安定構造を求める。
(A-1)ホストコンピュータが構造を最適化しようとする計算に関する情報を入力するための手段
“ホストコンピュータが構造を最適化しようとする計算に関する情報を入力するための手段”における“計算に関する情報”は,量子化学計算の計算レベルなどに関する情報であり,理論レベル,基底関数,及びスピン多重度を考慮するかどうかに関する情報などがあげられる。この情報は,量子化学計算を行う際に,通常用いられるものを適宜用いればよい。理論レベルとして,HF,UHF,ROHF,MP2,CCSD(T)などがあげられる。また,基底関数として,STO-3G,3-21G,6-31G,6-31+G, 6-31+G*,6-311+G*,cc-pVDZ,aug-cc-pVDZなどがあげられる。基底関数における“+”は,分子全体に広がる関数(diffuse function)を加えたものであり,基底関数における“*”は,分極関数を加えたものである。これらも量子化学計算において公知である。
(A-2) 前記計算に関する情報を,前記複数のクライアントコンピュータに送信するための手段は,計算に関する情報を,前記複数のクライアントコンピュータに送信することができれば特に限定されない。なお,ホストコンピュータと各クライアントコンピュータとは,好ましくはインターネット又はイントラネットにより連結されている。
(A-3)“ホストコンピュータに構造を最適化しようとする分子の構造に関する情報を入力するための手段”
“ホストコンピュータに構造を最適化しようとする分子の構造に関する情報を入力するための手段”における“分子の構造に関する情報”は,分子の構成元素に関する情報,又は分子の構成元素とそれらの位置関係に関する情報のいずれかがあげられる。安定構造を求める分子が二硫化炭素(CS2)である場合は,“分子の構成元素に関する情報”としてC,S,Sなどがあげられる。また,“分子の構成元素とそれらの位置関係に関する情報”として,構成分子C,S,S ,位置関係に関する情報S=C=S(C=S間の距離が1.56オングストローム,かつS=C=Sのなす角が0度)などがあげられる。なお,また,X線構造解析による情報や,NMRによる構造解析による情報からタンパク質などの分子の立体構造を求め,その構成分子及び立体構造に関する情報を“分子の構造に関する情報”として用いてもよい。
(A-4)入力された分子の構造に関する情報から,複数の試行構造を求めるための手段
“複数の試行構造を求めるための手段”は,入力された“分子の構造に関する情報”から各クライアントコンピュータ(又は各クライアントコンピュータとホストコンピュータ)が量子化学計算を行う試行構造を求めるための手段である。“複数の試行構造を求めるための手段”として,入力された分子の構造に関する情報から,あらかじめ設定した数値に基づき,構成分子の分子間距離及び構成分子のなす角を変化させた複数の分子構造の候補を求めるものがあげられる。たとえば,分子間距離を0.1オングストロームづつずらす,分子間角度を1度づつずらすというものであれば, S=C=S(C=S間の距離が1.56オングストローム,及び1.66オングストロームかつS=C=Sのなす角が0度),S=C=S(C=S間の距離が1.56オングストローム,及び1.66オングストロームかつS=C=Sのなす角が1度),S=C=S(C=S間の距離が1.66オングストローム,かつS=C=Sのなす角が0度),S=C=S(C=S間の距離が1.66オングストローム,かつS=C=Sのなす角が1度),及びS=C=S(C=S間の距離が1.56オングストローム,及び1.76オングストロームかつS=C=Sのなす角が1度)など複数の試行構造の候補を求める。
Then, a step (step 1) of inputting information related to the calculation to optimize the structure to the host computer, and a step of transmitting the information related to the calculation to the plurality of client computers (step 2). And a step (step 3) of inputting information on the structure of the molecule whose structure is to be optimized to the host computer, and the host computer obtains a plurality of trial structures from the inputted information on the structure of the molecule. A step of obtaining (step 4), a step in which the host computer transmits information on the plurality of trial structures to the plurality of client computers (step 5), and each client computer connected to the host computer, Total transmitted from the host computer A step of inputting information on the host computer (step 6), a step of each client computer connected to the host computer inputting information on a trial structure transmitted from the host computer (step 7), and a step of Each linked client computer uses the information on the trial structure and calculation transmitted from the host computer to obtain information on the first derivative of the energy in the trial structure by coordinates by quantum chemical calculation (step 8) Each client computer connected to the host computer determines whether the quantum chemical calculation is completed (step 9), and each client computer connected to the host computer includes: When it is determined that the quantum chemistry calculation has been completed, a step (step 10) of transmitting information related to the result of the quantum chemistry calculation to the host computer; and the quantum chemistry transmitted from the host computer to the host computer by the host computer. A step of receiving information on the result of the calculation (step 11), a step of determining whether or not the structure of the molecule is optimized from the information on the result of the quantum chemical calculation (step 12), and the host computer However, if it is determined that the molecular structure has been optimized, a step (step 13) for instructing each client computer to stop the quantum chemical calculation and the host computer optimize the molecular structure. If it is determined that the A step of obtaining a new trial structure from the information obtained (step 14), and a step of sending information on the new trial structure to the client computer that has transmitted the result of the quantum chemical calculation (step 15). The stable structure of the molecule is determined by the process.
(A-1) Means for the host computer to input information related to the calculation whose structure is to be optimized "Information related to the calculation" in "Means for the host computer to input information related to the calculation whose structure is to be optimized""Is information related to the calculation level of quantum chemistry calculations, such as information about whether to consider the theoretical level, basis functions, and spin multiplicity. As this information, what is usually used may be appropriately used when performing quantum chemical calculations. The theoretical levels include HF, UHF, ROHF, MP2, and CCSD (T). The basis functions are STO-3G, 3-21G, 6-31G, 6-31 + G, 6-31 + G * , 6-311 + G * , cc-pVDZ, aug-cc-pVDZ, etc. It is done. “+” In the basis function is a function added to the whole molecule (diffuse function), and “ * ” in the basis function is a function added to the polarization function. These are also known in quantum chemical calculations.
(A-2) The means for transmitting the information related to the calculation to the plurality of client computers is not particularly limited as long as the information related to the calculation can be transmitted to the plurality of client computers. The host computer and each client computer are preferably connected via the Internet or an intranet.
(A-3) “Means for inputting information on the structure of molecules to be optimized into the host computer”
“Information about the structure of a molecule” in “Means for inputting information about the structure of a molecule whose structure is to be optimized to the host computer” is information about the constituent elements of the molecule, or the constituent elements of the molecule and their positional relationships. Any of the information about. When the molecule for which a stable structure is sought is carbon disulfide (CS 2 ), “information on the constituent elements of the molecule” includes C, S, S, and the like. Also, as “information about the constituent elements of molecules and their positional relations”, information about constituent molecules C, S, S and positional relations S = C = S (the distance between C = S is 1.56 angstroms and S = C = The angle formed by S is 0 degree). In addition, the three-dimensional structure of a molecule such as a protein may be obtained from information obtained by X-ray structural analysis or information obtained by NMR, and the information on the constituent molecule and the three-dimensional structure may be used as “information on the structure of the molecule”. .
(A-4) Means for obtaining a plurality of trial structures from input molecular structure information “Means for obtaining a plurality of trial structures” are based on the input “information about molecular structures” and are used for each client. This is a means for obtaining a trial structure in which a computer (or each client computer and host computer) performs quantum chemical calculations. As a “means for obtaining multiple trial structures”, multiple molecular structures in which the intermolecular distances of the constituent molecules and the angles formed by the constituent molecules are changed from information on the structure of the input molecules based on preset numerical values. That seeks candidates. For example, if the intermolecular distance is shifted by 0.1 angstrom and the intermolecular angle is shifted by 1 degree, S = C = S (the distance between C = S is 1.56 angstrom, and 1.66 angstrom and S = C = S S = C = S (Distance between C = S is 1.56 angstrom and 1.66 angstrom and S = C = S is 1 degree), S = C = S (C = S The distance between them is 1.66 angstroms and the angle formed by S = C = S is 0 degree), S = C = S (the distance between C = S is 1.66 angstroms and the angle formed by S = C = S is 1 degree) , And S = C = S (the distance between C = S is 1.56 angstroms and 1.76 angstroms and the angle formed by S = C = S is 1 degree).

従来の構造最適化においては,ひとつの試行構造について量子化学計算を繰り返し,構造最適化を行っていた。このようなアルゴリズムに基づけば,複数のコンピュータを用いた並列計算を行っても,それほど処理速度は向上しない。さらには,コンピュータの台数を多くしても計算速度が速くならない収束状態に陥る。しかしながら,本発明によれば,それぞれ別の量子化学計算を,それぞれのコンピュータで行わせるので,それぞれのコンピュータの処理速度を最大限生かした構造最適化を迅速に行うことができる。   In the conventional structure optimization, quantum chemical calculations were repeated for one trial structure to optimize the structure. Based on such an algorithm, the processing speed does not improve much even if parallel computation using a plurality of computers is performed. Furthermore, even if the number of computers is increased, the calculation speed does not increase. However, according to the present invention, since different quantum chemical calculations are performed by the respective computers, the structure optimization can be quickly performed by making the best use of the processing speed of the respective computers.

“複数の試行構造を求めるための手段”は,前記入力された分子の構造に関する情報が,分子の部分構成に関する情報である場合,あらかじめ登録された前記分子を構成する分子(部分分子)の安定構造に関する情報から,分子の構造に関する初期構造を求め,前記初期構造の構成分子の分子間距離及び構成分子のなす角を変化させた複数の試行構造を求めるものが好ましい。たとえば,二硫化炭素ダイマー(二量体)の構造を求める場合,あらかじめ登録してあった,二硫化炭素モノマーの構造を組み合わせ,二硫化炭素ダイマーの初期構造とすればよい。   “Means for obtaining a plurality of trial structures” means that when the information on the structure of the inputted molecule is information on the partial structure of the molecule, the stability of the molecule (partial molecule) constituting the molecule registered in advance. It is preferable to obtain an initial structure relating to the structure of a molecule from information relating to the structure, and to obtain a plurality of trial structures in which the intermolecular distances of the constituent molecules of the initial structure and the angles formed by the constituent molecules are changed. For example, when obtaining the structure of carbon disulfide dimer (dimer), the structure of carbon disulfide monomer registered in advance may be combined to obtain the initial structure of carbon disulfide dimer.

(A-5)複数の試行構造に関する情報を,前記複数のクライアントコンピュータに送信するための手段
“複数の試行構造に関する情報を,前記複数のクライアントコンピュータに送信するための手段”は,複数の試行構造に関する情報を,前記複数のクライアントコンピュータに送信することができれば特に限定されない。なお,ホストコンピュータと各クライアントコンピュータとは,好ましくはインターネット又はイントラネットにより連結されている。
(A-6)各クライアントコンピュータがホストコンピュータへ送信した量子化学計算の結果に関する情報を受け取るための手段
“各クライアントコンピュータがホストコンピュータへ送信した量子化学計算の結果に関する情報を受け取るための手段”は,各クライアントコンピュータがホストコンピュータへ送信した量子化学計算の結果に関する情報を,受け取ることができるものであれば特に限定されない。通常のコンピュータやサーバは,このような手段を具備している。
(A-7) 量子化学計算の結果に関する情報から,分子の構造が最適化されたかどうか判断するための手段
“量子化学計算の結果に関する情報から,分子の構造が最適化されたかどうか判断するための手段”は,量子化学計算の結果に関する情報から,分子の構造が最適化されたかどうか判断する。具体的には,この手段は,量子化学計算により求められた“試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分” ベクトルの絶対値が,一定値以下であるかどうか判断し,一定値以下の場合に最適化されたと判断するものがあげられる。ここで,構造が最適化されたとは,ある分子がそのポテンシャルエネルギー曲面において,少なくともローカルミニマムのエネルギー位置に位置していることを意味する(好ましくは,最もエネルギーが低い構造に位置していることを意味する)。
(A-5) Means for transmitting information on a plurality of trial structures to the plurality of client computers “Means for transmitting information on a plurality of trial structures to the plurality of client computers” includes a plurality of trials. There is no particular limitation as long as information on the structure can be transmitted to the plurality of client computers. The host computer and each client computer are preferably connected via the Internet or an intranet.
(A-6) Means for receiving information on the results of quantum chemistry calculations sent by each client computer to the host computer “Means for receiving information on the results of quantum chemistry calculations sent by each client computer to the host computer” The client computer is not particularly limited as long as it can receive information on the result of the quantum chemical calculation transmitted to the host computer. Ordinary computers and servers have such means.
(A-7) Means for judging whether the structure of a molecule has been optimized from information on the results of quantum chemistry calculations “To judge whether the structure of molecules has been optimized from information on the results of quantum chemistry calculations” The means of “determines whether or not the molecular structure has been optimized from the information on the result of the quantum chemical calculation. Specifically, this means determines whether or not the absolute value of the “first-order differential of energy in the trial structure by coordinates” vector obtained by quantum chemical calculation is less than a certain value. One that is judged to have been optimized. Here, “optimized structure” means that a molecule is located at least at the energy position of the local minimum on its potential energy surface (preferably, located at the structure with the lowest energy). Means).

“量子化学計算の結果に関する情報から,分子の構造が最適化されたかどうか判断するための手段”における“量子化学計算の結果に関する情報”は,“試行構造におけるエネルギーの値に関する情報”,及び“試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分の値に関する情報”,を含むものがあげられる。“試行構造におけるエネルギーの値に関する情報”は,新たな試行構造を求める際に通常用いられる。構造最適化計算において,その試行構造(最適化構造)におけるエネルギー値に関する情報は,その分子の熱力学的安定性などを比較する上でも重要である。また,“試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分の値に関する情報”は,新たは試行構造を求める際に用いられる。
(A-8)各クライアントコンピュータへ量子化学計算を中止するように指令を出すための手段
“各クライアントコンピュータへ量子化学計算を中止するように指令を出すための手段”は,ホストコンピュータが,分子の構造が最適化されていたと判断した場合に,各クライアントコンピュータへ量子化学計算を中止するように指令を出し,それ以降の計算を中止させるための手段である。
(A-9)量子化学計算の結果に関する情報から,新たな試行構造を求めるための手段
量子化学計算の結果に関する情報から,新たな試行構造を求めるための手段は,ホストコンピュータが分子の構造が最適化されていなかったと判断した場合に,量子化学計算の結果に関する情報から,新たな試行構造を求めるための手段である。
“Information about the results of quantum chemistry calculations” in “Means for determining whether the structure of a molecule has been optimized from the information about the results of quantum chemistry calculations” includes “information about the value of energy in the trial structure” and “ "Information on the value of the first derivative of the energy in the trial structure by coordinates". “Information about energy values in a trial structure” is usually used when finding a new trial structure. In the structure optimization calculation, information on the energy value in the trial structure (optimized structure) is important for comparing the thermodynamic stability of the molecules. In addition, “information on the value of the first derivative of the energy in the trial structure by coordinates” is newly used when obtaining the trial structure.
(A-8) Means for instructing each client computer to stop quantum chemistry calculations “Means for issuing instructions to each client computer to stop quantum chemistry calculations” This is a means for instructing each client computer to stop the quantum chemistry calculation when it is determined that the structure is optimized, and to stop the subsequent calculations.
(A-9) Means for obtaining a new trial structure from information on the results of quantum chemistry calculations The means for obtaining a new trial structure from information on the results of quantum chemistry calculations is as follows. This is a means for finding a new trial structure from information on the results of quantum chemical calculations when it is determined that the optimization has not been achieved.

“量子化学計算の結果に関する情報から,新たな試行構造を求めるための手段”における“量子化学計算の結果に関する情報”として,“試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分の値に関する情報”,を含むものがあげられる。または,“量子化学計算の結果に関する情報”として,“試行構造におけるエネルギーの値に関する情報”,及び“試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分の値に関する情報”,を含むものがあげられる。   “Information on the result of quantum chemistry calculations from information on the results of quantum chemistry calculations” as “Information on the results of quantum chemistry calculations”, Include. Or “information about the result of quantum chemical calculation” includes “information about the value of energy in the trial structure” and “information about the value of the first derivative of the energy in the trial structure by coordinates”.

“量子化学計算の結果に関する情報から,新たな試行構造を求めるための手段”として,“試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分の値に関する情報”,に基づいて試行構造におけるエネルギーの,ヘシアンに関する情報を更新し,新たな試行構造を求めるものがあげられる。   “Means for obtaining a new trial structure from information on the results of quantum chemistry calculations”, “Information on the value of the first derivative by coordinates of energy in the trial structure” One that updates information and seeks a new trial structure.

また, “量子化学計算の結果に関する情報から,新たな試行構造を求めるための手段”として,“前記試行構造に関する情報”,“他のコンピュータが求めたものも含めたエネルギーの最も低い構造におけるエネルギーの,座標による一次微分の値に関する情報”と,前記“試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分の値に関する情報”,に基づいて試行構造におけるエネルギーの,ヘシアンに関する情報を更新し,新たな試行構造を求めるものがあげられる。   In addition, as “means for obtaining a new trial structure from information on the results of quantum chemistry calculations”, “information on the trial structure”, “energy in the structure with the lowest energy including those obtained by other computers” Based on the information on the value of the first derivative by coordinates and the information on the value of the first derivative by coordinates in the trial structure, the information on the Hessian of the energy in the trial structure is updated to give a new trial. One that seeks the structure.

また,“量子化学計算の結果に関する情報から,新たな試行構造を求めるための手段”,として,“試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分の値に関する情報”,に基づいて試行構造におけるエネルギーの,ヘシアンに関する情報を求め,前記ヘシアンに関する情報から正値をとる有効ヘシアンの情報を求め,前記試行構造に関する情報,前記有効ヘシアンに関する情報,及び“試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分の値に関する情報”から新たな試行構造を求めるものがあげられる。   In addition, as "means for obtaining a new trial structure from information on the results of quantum chemistry calculations", the information on the energy in the trial structure is based on "information on the value of the first derivative of the energy in the trial structure by coordinates". Obtain information about the Hessian, obtain information about the effective Hessian that takes a positive value from the information about the Hessian, information about the trial structure, information about the effective Hessian, and “value of the first derivative of the energy in the trial structure by coordinates. Information ”is a new trial structure.

従来の準ニュートン法では,ヘシアンを更新する際に,ヘシアンの正値が維持される。そこで,ヘシアンをそのまま用いても,大きな問題にならなかった。しかし,本発明の手法により構造安定化を行うと,ヘシアンの正値が維持されないケースがたびたび見られた。ヘシアンが正値でなくなるとは,すなわち近似エネルギー曲面が凸曲面になることを意味する。そのため,新規試行構造を求める際に,上記のとおり更新したヘシアンではなく,正値を維持する有効へシアンを用いることが好ましい。この有効ヘシアンは,後述の式(III)及び(IV)で表されるヘシアンがあげられる。   In the conventional quasi-Newton method, the positive value of the Hessian is maintained when the Hessian is updated. Therefore, even if hessian was used as it was, it did not become a big problem. However, when structural stabilization is performed by the method of the present invention, there are often cases where the positive value of Hessian is not maintained. That the Hessian is not positive means that the approximate energy surface becomes a convex surface. For this reason, when obtaining a new trial structure, it is preferable to use effective helium that maintains a positive value instead of the updated Hessian as described above. The effective hessian includes hessians represented by the following formulas (III) and (IV).

“量子化学計算の結果に関する情報から,新たな試行構造を求めるための手段”として,新たな試行構造を,直前に計算された試行構造(その座標ベクトルをqkとする。)のエネルギーが最低の場合は式(I)により求め,直前に計算された試行構造のエネルギーが最低でない場合は式(II)により求めるものであることは,本発明の好ましい別の実施態様である。 As a “means for obtaining a new trial structure from information on the results of quantum chemistry calculations”, the energy of the new trial structure, which is the last trial structure (its coordinate vector is q k ), is the lowest. It is another preferred embodiment of the present invention that is obtained by the formula (I) and is obtained by the formula (II) when the energy of the trial structure calculated immediately before is not the lowest.

Figure 0004729889
Figure 0004729889

(式(I)及び式(II)中,ベクトルqnewは,新たな試行構造の座標を表す。ベクトルqkは,直前に計算された試行構造の座標を表す。下付文字kは,量子化学計算が終了した順番を表す。行列βkはk番目の試行構造における有効ヘシアンを表す。gkは,“k番目の試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分”に関するベクトルを表す。Lproj k,rは,ベクトル−βk -1l に直交する多数の固有ベクトルからランダムに選ばれた一つの固有ベクトルであり,スカラーCはスケール因子である。また,ベクトルqlは,直前に計算された試行構造のエネルギーがk番目までの全ての試行構造の中で最低でない場合,k番目までの全ての試行構造の中でエネルギーが最も低い試行構造の座標を表し,直前に計算された試行構造のエネルギーがk番目までの全ての試行構造の中で最も低い場合,全ての試行構造の中で直前に計算された試行構造の最も近傍にある試行構造の座標を表す。)
前記有効ヘシアン(βk)の初期値として,すなわちβ1として,単位行列,若しくは,エネルギーの座標による二次微分行列(前記量子化学計算より低い計算(理論)レベルで計算されたエネルギーの座標による二次微分行列,若しくは,前記量子化学計算と同じ理論レベルで計算された,エネルギーの座標による二次微分行列)のいずれかを用いることは,本発明の好ましい別の実施態様である。
(In equations (I) and (II), the vector q new represents the coordinates of the new trial structure. The vector q k represents the coordinates of the trial structure calculated immediately before. The subscript k represents the quantum representing the order in which the chemical calculation has ended. matrices beta k is .g k that represent the Hessian at the k-th trial structure, .L proj representing a vector for "the energy in the k-th trial structure, first derivative by the coordinate" k, r is one eigenvector randomly selected from a number of eigenvectors orthogonal to the vector −β k −1 g l , scalar C is a scale factor, and vector q l is calculated immediately before If the energy of the trial structure is not the lowest among all trial structures up to the kth, it represents the coordinate of the trial structure with the lowest energy among all trial structures up to the kth, and the trial structure calculated immediately before Energy is kth Representing all of the cases the lowest among trial structural coordinates of trial structures most in the vicinity of the calculated attempted structure just before in all trials structures in.)
As an initial value of the effective Hessian (β k ), that is, β 1 , a unit matrix or a second-order differential matrix with energy coordinates (according to energy coordinates calculated at a calculation (theoretical) level lower than the quantum chemical calculation) It is another preferred embodiment of the present invention to use either a secondary differential matrix or a secondary differential matrix based on energy coordinates calculated at the same theoretical level as the quantum chemical calculation.

なお,有効ヘシアン(βk)として,下記式(III)〜式(V)のいずれかにより表される暫定へシアン(Bk)を用いることは,本発明の好ましい別の実施態様である。 In addition, it is another preferable embodiment of the present invention to use temporary helium (B k ) represented by any one of the following formulas (III) to (V) as the effective helium (β k ).

Figure 0004729889
(式(II)中,太文字の1は単位行列を表し,Δqk-l=qk−qlであり,Δgk-l=gk−glである。)
Figure 0004729889
(In the formula (II), the bold letter 1 represents a unit matrix, and Δq kl = q k −q l and Δg kl = g k −g l .)

Figure 0004729889
Figure 0004729889

Figure 0004729889
なお,式(III)は,BFGS法(C. G. Broyden, J. Inst. Math. Appl. 1970, 6, 76; R. Flether, Comput. J. 1970, 13, 317; D. Goldfarb, Math. Comput. 1970, 24, 23; D. F. Shanno, Math. Comput. 1970, 24, 647)に類似したヘシアン更新の式である。式(V)はDFP法(W. C. Davidon, AEC Res. and Dev. Report 1959, ANL-5990; R. Fletcher and M. J. D. Powell,Comput. J. 1963, 6, 163.)に類似したヘシアン更新の式である。
Figure 0004729889
Equation (III) can be expressed by the BFGS method (CG Broyden, J. Inst. Math. Appl. 1970, 6, 76; R. Flether, Comput. J. 1970, 13, 317; D. Goldfarb, Math. Comput. 1970, 24, 23; DF Shanno, Math. Comput. 1970, 24, 647). Equation (V) is a Hessian update equation similar to the DFP method (WC Davidon, AEC Res. And Dev. Report 1959, ANL-5990; R. Fletcher and MJD Powell, Comput. J. 1963, 6, 163.). is there.

有効ヘシアン(βk)として,暫定へシアン(Bk)が正値でかつ下記式(VI)を満たす場合には暫定ヘシアンを用い,それ以外の場合は,下記式(VII)を用いることは,本発明の好ましい別の実施態様である。 As the effective Hessian (β k ), if the provisional Hessian (B k ) is positive and satisfies the following formula (VI), the provisional Hessian is used; otherwise, the following formula (VII) is used: , Another preferred embodiment of the present invention.

Figure 0004729889
Figure 0004729889

上記式(VI)及び(VII)中,gmは,k番目までの全ての試行構造の中でエネルギーが最も低い試行構造(m番目の試行構造とする)での,エネルギーの座標による一次微分ベクトルである。スカラーRk maxは,探索距離の限界値である。ωkは,有効へシアンが正値になり,関係式(VIII)を満たすように求められるスカラーである。なお,ωkは,自己無頓着になるようにすることで求めることができる。 In the above formulas (VI) and (VII), g m is the first derivative in terms of energy coordinates in the trial structure with the lowest energy among all the trial structures up to the k-th (referred to as the m-th trial structure). Is a vector. The scalar R k max is the search distance limit. ω k is a scalar that is obtained so that effective Hessian has a positive value and satisfies the relational expression (VIII). Note that ω k can be obtained by making it self-careless.

Figure 0004729889
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前記Rk maxの初期値として,すなわちR1 maxとして,0.0から10.0のいずれかの値を用いることは,本発明の好ましい別の実施態様である。 It is another preferred embodiment of the present invention to use any value from 0.0 to 10.0 as the initial value of R k max , that is, R 1 max .

Rk maxは,経験的に求められるものであるが,Rk maxとして,直前の試行構造qkが,n番目の試行構造qn及びエネルギーの座標による一次微分ベクトルgn及びo番目のへシアンBoを用いて見出された構造であって,k番目までの試行構造の中で,直前の構造qkのエネルギーが最低の場合若しくはn番目の試行構造qnが最低のエネルギーを有する場合,下記式(IX)を用い,そうでない場合,Rk max=Rk-1 maxを用いることは,本発明の好ましい別の実施態様である。 R k max is determined empirically, and as R k max , the immediately preceding trial structure q k is changed to the nth trial structure q n and the first derivative vector g n and the o th A structure found using cyan Bo , where the previous structure q k has the lowest energy or the nth trial structure q n has the lowest energy among the trial structures up to the k th If this is the case, then using the following formula (IX), otherwise using R k max = R k-1 max is another preferred embodiment of the present invention.

Figure 0004729889
Figure 0004729889

(上記式においてE(qi)は,量子化学計算によって求められた,試行構造qiでのエネルギーである。)

固有ベクトルLproj k,rとして,下記式(X)を満たすものを用いることは,本発明の好ましい別の実施態様である。
(In the above equation, E (q i ) is the energy in the trial structure q i obtained by quantum chemical calculation.)

The use of an eigenvector L proj k, r that satisfies the following formula (X) is another preferred embodiment of the present invention.

Figure 0004729889
Figure 0004729889

(上記式においてNは自由度の数を表す。)
また,スケール因子として,λproj k,r 2<0の場合,下記式(XI)を用い,λproj k,r 2≧0の場合,下記式(XII)を用いることは,本発明の好ましい別の実施態様である。
(In the above formula, N represents the number of degrees of freedom.)
Further, as a scale factor, it is preferable to use the following formula (XI) when λ proj k, r 2 <0, and use the following formula (XII) when λ proj k, r 2 ≧ 0. It is another embodiment.

Figure 0004729889
Figure 0004729889

又はスケール因子Cとして,C=0を用いることは,本発明の好ましい別の実施態様である。 Alternatively, using C = 0 as the scale factor C is another preferred embodiment of the present invention.

なお,本明細書において“座標”は,分子を構成する原子の相対的位置関係を表す,原子間距離,3原子の接続角及び4原子の2面対角を含む内部座標,又は,分子を構成する原子の位置を表すデカルト座標があげられる。
(A-10) 新たな試行構造に関する情報を,前記量子化学計算の結果を送信してきたクライアントコンピュータに送信するための手段
“新たな試行構造に関する情報を,前記量子化学計算の結果を送信してきたクライアントコンピュータに送信するための手段”は, 新たな試行構造に関する情報を,前記量子化学計算の結果を送信してきたクライアントコンピュータに送信することができるものであれば特に限定されない。
(B-1)前記ホストコンピュータから送信された計算に関する情報を入力するための手段
前記ホストコンピュータから送信された計算に関する情報を入力するための手段は,ホストコンピュータから送信されたに計算関する情報を,量子化学計算のためにクライアントコンピュータに入力しうるものであれば特に限定されない。
(B-2)ホストコンピュータから送信された試行構造に関する情報を入力するための手段
ホストコンピュータから送信された試行構造に関する情報を入力するための手段は,ホストコンピュータから送信された試行構造に関する情報を,量子化学計算のためにクライアントコンピュータに入力しうるものであれば特に限定されない。
(B-3)ホストコンピュータから送信された試行構造に関する情報を用いて,量子化学計算により前記試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分に関する情報を求めるための手段
“ホストコンピュータから送信された試行構造及び計算に関する情報を用いて,量子化学計算により前記試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分に関する情報を求めるための手段”は,たとえばGAUSSIANプログラムなど公知の量子化学計算プログラムにおけると同様,試行構造に関する情報(構成分子やその位置情報など)を用いて,量子化学計算を行い,試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分に関する情報を得るものである。“試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分に関する情報”として,試行構造におけるエネルギーの値や,試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分の値に関する情報などが含まれる。
“ホストコンピュータから送信された試行構造に関する情報を用いて,量子化学計算により前記試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分に関する情報を求めるための手段”として,“ホストコンピュータが構造を最適化しようとする計算に関する情報を入力するための手段”における“計算に関する情報”に基づいて,量子化学計算を行うものが好ましい。これは,たとえば,MP2/6-31+G*など所定の計算レベルや考慮する関数などを調整して,安定構造を求めるものである。たとえば,初期計算は,低い計算レベルで安定構造を求めた後,分子の物性などを考慮しつつ徐々に計算レベルを上げて計算する。
(B-4) 量子化学計算が終了したかどうか判断するための手段
“量子化学計算が終了したかどうか判断するための手段”は,量子化学計算が終了したかどうか判断できるものであれば,特に限定されない。“量子化学計算が終了したかどうか判断するための手段”として,前記一次微分ベクトルの値の絶対値が,所定の範囲内であるかどうか判断することにより行うものがあげられる。
(B-5) 量子化学計算が終了したと判断した場合に,量子化学計算の結果に関する情報を前記ホストコンピュータに送信するための手段
“量子化学計算が終了したと判断した場合に,量子化学計算の結果に関する情報を前記ホストコンピュータに送信するための手段”は,量子化学計算が終了したと判断した場合に,量子化学計算の結果に関する情報をホストコンピュータに送信することができる者であれば特に限定されない。“量子化学計算の結果に関する情報”には,試行構造の構造に関する情報,試行構造におけるエネルギーに関する情報,試行構造における一次微分に関する情報などがあげられる。
2.安定構造の求め方
以下では,上記のシステムを用いた構造最適化の方法について説明する。この方法は,以下の各工程により分子の安定構造を求めるものである。
In this specification, “coordinates” refers to internal coordinates including the interatomic distance, the connection angle of 3 atoms, and the two-surface diagonal of 4 atoms, representing the relative positional relationship of the atoms constituting the molecule, or the molecule. There are Cartesian coordinates that represent the positions of the constituent atoms.
(A-10) Means for sending information about new trial structure to client computer that sent the result of quantum chemistry calculation “Information about new trial structure has been sent result of quantum chemistry calculation The “means for transmitting to the client computer” is not particularly limited as long as the information on the new trial structure can be transmitted to the client computer that has transmitted the result of the quantum chemical calculation.
(B-1) Means for inputting information relating to the computation transmitted from the host computer The means for inputting information relating to the computation transmitted from the host computer includes information relating to the computation transmitted from the host computer. There is no particular limitation as long as it can be input to the client computer for quantum chemical calculation.
(B-2) Means for inputting information on trial structure transmitted from host computer Means for inputting information on trial structure transmitted from host computer include information on trial structure transmitted from host computer. There is no particular limitation as long as it can be input to the client computer for quantum chemical calculation.
(B-3) Means for obtaining information relating to the first derivative of the energy in the trial structure by means of quantum chemical calculation using the information on the trial structure sent from the host computer “Trial structure sent from the host computer And means for obtaining information on the first derivative of the coordinates of the energy in the trial structure by means of quantum chemical calculation using the information on the calculation, as in a known quantum chemical calculation program such as the GAUSSIAN program. Information (constituent molecules and their position information) is used to perform quantum chemical calculations to obtain information about the first derivative of energy in the trial structure by coordinates. “Information about the first derivative of energy in the trial structure by coordinates” includes information on the value of energy in the trial structure and the value of the first derivative by coordinates of energy in the trial structure.
“The means for the host computer to optimize the structure by using the information on the trial structure transmitted from the host computer as a means for obtaining information on the first derivative of the energy in the trial structure by coordinates by quantum chemical calculation”. It is preferable to perform quantum chemical calculation based on “information about calculation” in “means for inputting information about calculation to be performed”. For example, a stable structure is obtained by adjusting a predetermined calculation level such as MP2 / 6-31 + G * or a function to be considered. For example, in the initial calculation, after obtaining a stable structure at a low calculation level, the calculation level is gradually increased while considering the physical properties of the molecule.
(B-4) Means for judging whether or not quantum chemistry calculations have been completed “Means for judging whether or not quantum chemistry calculations have been completed” are those that can determine whether or not quantum chemistry calculations have been completed. There is no particular limitation. “Means for determining whether or not quantum chemistry calculation has been completed” can be performed by determining whether or not the absolute value of the primary differential vector is within a predetermined range.
(B-5) Means for sending information about the results of quantum chemistry calculations to the host computer when it is determined that quantum chemistry calculations are completed “Quantum chemistry calculations when it is determined that quantum chemistry calculations are completed” The means for transmitting information related to the result of the above to the host computer ”is particularly suitable if it is capable of transmitting information related to the result of the quantum chemical calculation to the host computer when it is determined that the quantum chemical calculation is completed. It is not limited. “Information on the results of quantum chemical calculations” includes information on the structure of the trial structure, information on the energy in the trial structure, information on the first derivative in the trial structure, and the like.
2. How to find a stable structure In the following, we explain the structure optimization method using the above system. In this method, a stable structure of a molecule is obtained by the following steps.

ホストコンピュータに,構造を最適化しようとする計算に関する情報を入力する(ステップ1)。   Input information about the calculation to optimize the structure to the host computer (Step 1).

ホストコンピュータが,前記計算に関する情報を,前記複数のクライアントコンピュータに送信する(ステップ2)。   The host computer transmits information related to the calculation to the plurality of client computers (step 2).

ホストコンピュータに,構造を最適化しようとする分子の構造に関する情報を入力する(ステップ3)。   Information on the structure of the molecule whose structure is to be optimized is input to the host computer (step 3).

ホストコンピュータが,前記入力された分子の構造に関する情報から複数の試行構造を求める(ステップ4)。   The host computer obtains a plurality of trial structures from the inputted information on the molecular structure (step 4).

ホストコンピュータが,前記複数の試行構造に関する情報を,前記複数のクライアントコンピュータに送信する(ステップ5)。   The host computer transmits information on the plurality of trial structures to the plurality of client computers (step 5).

ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記ホストコンピュータから送信された計算に関する情報を入力する(ステップ6)。   Each client computer connected to the host computer inputs information relating to the calculation transmitted from the host computer (step 6).

ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記ホストコンピュータから送信された試行構造に関する情報を入力する(ステップ7)。   Each client computer connected to the host computer inputs information regarding the trial structure transmitted from the host computer (step 7).

ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記ホストコンピュータから送信された試行構造及び計算に関する情報を用いて,量子化学計算により前記試行構造におけるエネルギーの,座標による一次微分に関する情報を求める(ステップ8)。   Each client computer connected to the host computer uses the information on the trial structure and calculation transmitted from the host computer to obtain information on the first derivative of the energy in the trial structure by coordinates using quantum chemical calculation (step) 8).

ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記量子化学計算が終了したかどうか判断する(ステップ9)。   Each client computer connected to the host computer determines whether the quantum chemical calculation has been completed (step 9).

ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記量子化学計算が終了したと判断した場合に,量子化学計算の結果に関する情報を前記ホストコンピュータに送信する(ステップ10)。   When each client computer connected to the host computer determines that the quantum chemical calculation has been completed, the client computer transmits information about the result of the quantum chemical calculation to the host computer (step 10).

ホストコンピュータが,前記クライアントコンピュータがホストコンピュータへ送信した量子化学計算の結果に関する情報を受け取る(ステップ11)。   The host computer receives information on the result of the quantum chemical calculation transmitted from the client computer to the host computer (step 11).

ホストコンピュータが,前記量子化学計算の結果に関する情報から,分子の構造が最適化されたかどうか判断する(ステップ12)。   The host computer determines whether or not the molecular structure has been optimized from the information on the result of the quantum chemical calculation (step 12).

ホストコンピュータが,分子の構造が最適化されていたと判断した場合は,各クライアントコンピュータへ量子化学計算を中止するように指令を出す(ステップ13)。   If the host computer determines that the molecular structure has been optimized, it issues a command to each client computer to stop the quantum chemical calculation (step 13).

ホストコンピュータが,分子の構造が最適化されていなかったと判断した場合は,前記量子化学計算の結果に関する情報から,新たな試行構造を求める(ステップ14)。   If the host computer determines that the molecular structure has not been optimized, a new trial structure is obtained from the information on the result of the quantum chemical calculation (step 14).

新たな試行構造に関する情報を,前記量子化学計算の結果を送信してきたクライアントコンピュータに送信する(ステップ15)。そして,上記のステップ7に戻り,分子の構造が最適化されていたと判断するまで繰り返す。   Information on the new trial structure is transmitted to the client computer that has transmitted the result of the quantum chemical calculation (step 15). And it returns to said step 7 and repeats until it judges that the structure of the molecule | numerator was optimized.

以下本発明を,具体的な分子の安定構造最適化の計算例をあげて説明する。以下の実施例では,図1に示すようなシステムを用いて実験を行った。本発明のホストコンピュター(及びクライアントコンピューターのひとつ)として,Dell社製パワーエッジ2600(PowerEdge2600)を用いた。また,クライアントコンピュータとして,SGI社製オリジン2000(Origin2000),SGI社製テズロ(Tezro),及びNEC社製SX-6を用いた。そして,上記に説明したとおりのアルゴリズムに基づくシステムを用いて分子の構造最適化を行った。対象とした分子は,水2量体,水3量体,アゾベンゼン,テトラフェニルポルフィリン,シトシジン-グアノシンクラスターであった。図2は,水2量体の構造最適化を示す図である。図2Aは,初期試行構造を示す。図2Bは,構造安定化の結果得られた構造を示す。図3は,水3量体の構造最適化を示す図である。図3Aは,初期試行構造を示す。図3Bは,構造安定化の結果得られた構造を示す。図4は,アゾベンゼンの構造最適化を示す図である。図4Aは,初期試行構造を示す。図4Bは,構造安定化の結果得られた構造を示す。図5は,テトラフェニルポルフィリンの構造最適化を示す図である。図5Aは,初期試行構造を示す。図5Bは,構造安定化の結果得られた構造を示す。図6は,シトシジン-グアノシンクラスターの構造最適化を示す図である。図6Aは,初期試行構造を示す。図6Bは,構造安定化の結果得られた構造を示す。   Hereinafter, the present invention will be described with reference to calculation examples of specific stable structure optimization of molecules. In the following examples, experiments were performed using a system as shown in FIG. As the host computer (and one of the client computers) of the present invention, Dell PowerEdge 2600 (PowerEdge 2600) was used. As client computers, Origin 2000 (SGI), Tezro (SGI), and SX-6 (NEC) were used. The molecular structure was optimized using a system based on the algorithm as described above. The target molecules were water dimer, water trimer, azobenzene, tetraphenylporphyrin, and cytosidine-guanosine cluster. Figure 2 shows the structure optimization of a water dimer. FIG. 2A shows the initial trial structure. FIG. 2B shows the structure obtained as a result of structural stabilization. Fig. 3 is a diagram showing the structure optimization of a water trimer. FIG. 3A shows the initial trial structure. FIG. 3B shows the structure obtained as a result of the structural stabilization. Figure 4 shows the structure optimization of azobenzene. FIG. 4A shows the initial trial structure. FIG. 4B shows the structure obtained as a result of structural stabilization. FIG. 5 is a diagram showing the structure optimization of tetraphenylporphyrin. FIG. 5A shows the initial trial structure. FIG. 5B shows the structure obtained as a result of the structural stabilization. FIG. 6 shows the structural optimization of the cytosidine-guanosine cluster. FIG. 6A shows the initial trial structure. FIG. 6B shows the structure obtained as a result of the structural stabilization.

表1に計算時間を示す。表1に示されているように,4台の計算機からなる本発明の分子構造最適化システムを用いて分子構造を最適化した場合,1台の計算機による計算に比べて,高速に計算できており,高い並列化効率が得られることがわった。このことから,本発明の分子構造最適化システムは,分子構造の最適化計算を高速に求めることができることがわかった。また,本発明の分子構造の最適化方法によれば,従来の分子構造最適化方法に比べ,高速に安定構造に関する計算を行うことができることがわかった。   Table 1 shows the calculation time. As shown in Table 1, when the molecular structure is optimized by using the molecular structure optimization system of the present invention consisting of four computers, the calculation can be performed faster than the calculation by one computer. As a result, high parallelization efficiency was obtained. From this, it was found that the molecular structure optimization system of the present invention can obtain the optimization calculation of the molecular structure at high speed. Further, it has been found that according to the molecular structure optimization method of the present invention, calculations related to a stable structure can be performed at a higher speed than the conventional molecular structure optimization method.

Figure 0004729889
Figure 0004729889

本発明は,コンピュータによる分子の構造解析に関するもので,特に,並列処理の活用により高速計算を可能にするものであり,ナノテクノロジー分野等での材料開発や医療分野での生体機能解明のための分子シミュレーションに利用可能なものである。   The present invention relates to molecular structure analysis by a computer, and in particular, enables high-speed computation by utilizing parallel processing, and is used for material development in the nanotechnology field and biological function elucidation in the medical field. It can be used for molecular simulation.

図1は,実施例1で用いたシステムの基本構成例を示す図であるFIG. 1 is a diagram illustrating a basic configuration example of a system used in the first embodiment. 図2は,水2量体の構造最適化を示す図である。図2Aは,初期試行構造を示す。図2Bは,構造安定化の結果得られた構造を示す。Figure 2 shows the structure optimization of a water dimer. FIG. 2A shows the initial trial structure. FIG. 2B shows the structure obtained as a result of structural stabilization. 図3は,水3量体の構造最適化を示す図である。図3Aは,初期試行構造を示す。図3Bは,構造安定化の結果得られた構造を示す。Fig. 3 is a diagram showing the structure optimization of a water trimer. FIG. 3A shows the initial trial structure. FIG. 3B shows the structure obtained as a result of the structural stabilization. 図4は,アゾベンゼンの構造最適化を示す図である。図4Aは,初期試行構造を示す。図4Bは,構造安定化の結果得られた構造を示す。Figure 4 shows the structure optimization of azobenzene. FIG. 4A shows the initial trial structure. FIG. 4B shows the structure obtained as a result of structural stabilization. 図5は,テトラフェニルポルフィリンの構造最適化を示す図である。図5Aは,初期試行構造を示す。図5Bは,構造安定化の結果得られた構造を示す。FIG. 5 is a diagram showing the structure optimization of tetraphenylporphyrin. FIG. 5A shows the initial trial structure. FIG. 5B shows the structure obtained as a result of the structural stabilization. 図6は,シトシジン-グアノシンクラスターの構造最適化を示す図である。図6Aは,初期試行構造を示す。図6Bは,構造安定化の結果得られた構造を示す。FIG. 6 shows the structural optimization of the cytosidine-guanosine cluster. FIG. 6A shows the initial trial structure. FIG. 6B shows the structure obtained as a result of the structural stabilization.

Claims (7)

ホストコンピュータ(A)と,前記ホストコンピュータ(A)に連結された複数のクライアントコンピュータ(B)によって構成される分子構造最適化システムであって,

前記ホストコンピュータ(A)は,

前記ホストコンピュータ(A)が構造を最適化しようとする計算に関する情報を入力するための第1の入力手段(A−1)であって,前記計算に関する情報は,理論レベル,基底関数,及びスピン多重度を考慮するかどうかに関する情報を含むものと,

前記第1の入力手段(A−1)により入力された前記計算に関する情報を,前記複数のクライアントコンピュータに送信するための第1の送信手段(A−2)と,

前記ホストコンピュータ(A)に構造を最適化しようとする分子の構造に関する情報を入力するための第2の入力手段(A−3)であって,前記分子の構造に関する情報は,
分子の構成元素に関する情報,及び前記分子の構成元素の位置関係に関する情報であるものと,

前記第2の入力手段(A−3)により入力された分子の構造に関する情報から,複数の試行構造を求めるための試行構造取得手段(A−4)であって,あらかじめ設定した数値を読み出して,前記入力された分子の構造における分子間距離及び構成分子のなす角を前記数値ずつ変化させた複数の分子構造の候補を前記複数の試行構造とするものと,

前記試行構造取得手段(A−4)により求められた複数の試行構造に関する情報のそれぞれを,前記複数のクライアントコンピュータのいずれかに送信するための第2の送信手段(A−5)と,を含み,

前記ホストコンピュータ(A)に連結されたクライアントコンピュータ(B)は,それぞれ,
前記ホストコンピュータの第1の送信手段(A−2)から送信された計算に関する情報を入力するための第3の入力手段(B−1)と,
前記ホストコンピュータの第2の送信手段(A−5)から送信された前記試行構造に関する情報を入力するための第4の入力手段(B−2)と,
前記第3の入力手段(B−1)により入力された計算に関する情報及び前記第4の入力手段(B−2)により入力された前記試行構造に関する情報を用いて,前記試行構造におけるエネルギーの座標による一次微分に関するベクトルを求めるための量子化学計算を行う量子化学計算手段(B−3)と,
前記量子化学計算が終了したか否か判断するための計算終了判断手段(B−4)であって,計算終了のための一定の範囲に関する情報を読み出して,前記量子化学計算手段(B−3)により求められた前記試行構造におけるエネルギーの座標による一次微分のベクトルの絶対値が,前記一定の範囲内である場合には,前記量子化学計算が終了したと判断するものと,
前記計算終了判断手段(B−4)が,量子化学計算が終了したと判断した場合には,量子化学計算の結果に関する情報を前記ホストコンピュータに送信するための第3の送信手段(B−5)であって,前記量子化学計算の結果は,前記量子化学計算により求められた試行構造についてのエネルギーの座標による一次微分ベクトルの絶対値であるものと,
を具備し,

前記ホストコンピュータ(A)は,さらに
前記各クライアントコンピュータの第3の送信手段(B−5)が,ホストコンピュータへ送信した前記量子化学計算の結果に関する情報を受け取るための受信手段(A−6)と,

前記受信手段(A−6)が受信した前記量子化学計算の結果に関する情報から分子の構造が最適化されたかどうか判断するための構造最適化判断手段(A−7)であって,最適化を判断するための一定値を読み出して,前記試行構造についてのエネルギーの座標による一次微分ベクトルの絶対値と,前記一定値とを比較して,前記絶対値が前記一定値以下であるかどうか判断するものと,

前記構造最適化判断手段(A−7)が,前記分子の構造が最適化されていたと判断した場合は,前記各クライアントコンピュータ(B)へ量子化学計算を中止するように指令を出すための指令手段(A−8)と,

前記構造最適化判断手段(A−7)が,前記分子の構造が最適化されていなかったと判断した場合は,前記量子化学計算の結果に関する情報から,新たな試行構造の座標を求めるための新試行構造取得手段(A−9)であって,

前記受信手段(A−6)が受信した試行構造のエネルギーの座標による一次微分ベクトルを読み出して,当該エネルギーの座標による一次微分ベクトルが前記受信手段(A−6)が受信した試行構造のエネルギーの座標による一次微分ベクトルのうち最低の場合は前記新たな試行構造の座標(qnew)を式(I)により求め,前記受信手段(A−6)が受信した試行構造のエネルギーの座標による一次微分ベクトルが最低でない場合は前記新たな試行構造の座標(qnew)を式(II)により求めるものであり,
Figure 0004729889
(式(I)及び式(II)中,ベクトルqnewは,新たな試行構造の座標を表す。ベクトルqは,直前に計算された試行構造の座標を表す。下付文字kは,量子化学計算が終了した順番を表す。行列βはk番目の試行構造における有効ヘシアンを表す。gは,“k番目の試行構造におけるエネルギーの座標による一次微分”に関するベクトルを表す。Lproj k,rは,ベクトル−β −1に直交する多数の固有ベクトルからランダムに選ばれた一つの固有ベクトルである。スカラーCはスケール因子である。また,ベクトルqは,直前に計算された試行構造のエネルギーがk番目までの全ての試行構造の中で最低でない場合,k番目までの全ての試行構造の中でエネルギーが最も低い試行構造の座標を表し,直前に計算された試行構造のエネルギーがk番目までの全ての試行構造の中で最も低い場合,全ての試行構造の中で直前に計算された試行構造の最も近傍にある試行構造の座標を表す。)
前記新たな試行構造を式(I)により求める場合は,前記受信手段(A−6)が受信した試行構造の座標を示すベクトル(q)と,当該試行構造における有効ヘシアンの逆行列(β −1)と,当該試行構造におけるエネルギーの座標による一次微分に関するベクトル(g)とを用いて,前記有効ヘシアンの逆行列(β −1)と前記当該試行構造におけるエネルギーの座標による一次微分に関するベクトル(g)との積(β −1)を求め,前記試行構造の座標を示すベクトル(q)と,前記積(β −1)との差分を求めることで,前記新たな試行構造の座標(qnew)を得るものであり,
前記新たな試行構造を式(II)により求める場合は,全ての試行構造の中でエネルギーが最も低い試行構造の座標(q)を読出すとともに,前記受信手段(A−6)が受信した試行構造における有効ヘシアンの逆行列(β −1)と,前記全ての試行構造の中でエネルギーが最も低い試行構造におけるエネルギーの座標による一次微分に関するベクトル(g)との積(β −1)を求め,前記ベクトル−β −1に直交する多数の固有ベクトルから一つの固有ベクトルLproj k,rを求め,スケール因子Cを読み出し,前記固有ベクトルLproj k,rと前記スケール因子Cとの積(CLproj k,r)を求め,前記全ての試行構造の中でエネルギーが最も低い試行構造の座標(q),前記積(β −1)及び前記積(CLproj k,r)を用いて,q−β −1−CLproj k,rを得るものであり,

前記新試行構造取得手段(A−9)が取得した新たな試行構造の座標に関する情報を,前記第3の送信手段(B−5)により前記量子化学計算の結果を送信してきたクライアントコンピュータ(B)に送信するための第4の送信手段(A−10)と,
を具備し,

前記ホストコンピュータに,構造を最適化しようとする計算に関する情報を入力する工程と,
前記ホストコンピュータが,前記計算に関する情報を,前記複数のクライアントコンピュータに送信する工程と,
前記ホストコンピュータに,構造を最適化しようとする分子の構造に関する情報を入力する工程と,
前記ホストコンピュータが,前記入力された分子の構造に関する情報から複数の試行構造を求める工程と,
前記ホストコンピュータが,前記複数の試行構造のうちいずれかに関する情報を,前記複数のクライアントコンピュータのいずれかに送信する工程と,
前記ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記ホストコンピュータから送信された計算に関する情報を入力する工程と,
前記ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記ホ
ストコンピュータから送信された試行構造に関する情報を入力する工程と,
前記ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記ホストコンピュータから送信された試行構造及び計算に関する情報を用いて,量子化学計算により前記試行構造におけるエネルギーの座標による一次微分に関するベクトルを求める工程と,
前記ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記量子化学計算が終了したかどうか判断する工程と,
前記ホストコンピュータに連結されたそれぞれのクライアントコンピュータが,前記量子化学計算が終了したと判断した場合に,量子化学計算の結果に関する情報を前記ホストコンピュータに送信する工程と,
前記ホストコンピュータが,前記クライアントコンピュータがホストコンピュータへ送信した量子化学計算の結果に関する情報を受け取る工程と,
前記ホストコンピュータが,前記量子化学計算の結果に関する情報から,分子の構造が最適化されたかどうか判断する工程と,
前記ホストコンピュータが,分子の構造が最適化されていたと判断した場合は,各クライアントコンピュータへ量子化学計算を中止するように指令を出す工程と,
前記ホストコンピュータが,分子の構造が最適化されていなかったと判断した場合は,
前記量子化学計算の結果に関する情報から,新たな試行構造の座標(q new を求める工程と,
前記新たな試行構造の座標(q new に関する情報を,前記量子化学計算の結果を送信してきたクライアントコンピュータに送信する工程と,
を含む工程により分子の安定構造を求める,
分子の安定構造を求めるための分子構造最適化システム。
A molecular structure optimization system comprising a host computer (A) and a plurality of client computers (B) connected to the host computer (A),

The host computer (A)

The host computer (A) is a first input means (A-1) for inputting information relating to a calculation for which the structure is to be optimized. The information relating to the calculation includes a theoretical level, a basis function, and a spin. Including information on whether to consider multiplicity,

First transmission means (A-2) for transmitting the information related to the calculation input by the first input means (A-1) to the plurality of client computers;

Second input means (A-3) for inputting information on the structure of the molecule to be optimized to the host computer (A), wherein the information on the structure of the molecule is:
Information on the constituent elements of the molecule, and information on the positional relationship of the constituent elements of the molecule ;

Trial structure acquisition means (A-4) for obtaining a plurality of trial structures from information on the structure of the molecule inputted by the second input means (A-3), and reading preset numerical values A plurality of molecular structure candidates in which the intermolecular distance and the angle formed by the constituent molecules in the structure of the input molecule are changed by the numerical value as the plurality of trial structures;

Second transmission means (A-5) for transmitting each of the information on the plurality of trial structures obtained by the trial structure acquisition means (A-4) to any of the plurality of client computers; Including

Each of the client computers (B) connected to the host computer (A)
Third input means (B-1) for inputting information relating to the calculation transmitted from the first transmission means (A-2) of the host computer;
Fourth input means (B-2) for inputting information on the trial structure transmitted from the second transmission means (A-5) of the host computer;
Using the information about the calculation input by the third input means (B-1) and the information about the trial structure input by the fourth input means (B-2) , the energy coordinates in the trial structure Quantum chemical calculation means (B-3) for performing a quantum chemical calculation for obtaining a vector relating to the first derivative according to
Computation end judging means (B-4) for judging whether or not the quantum chemistry calculation is finished, information on a certain range for the end of the calculation is read out, and the quantum chemistry computation means (B-3) When the absolute value of the vector of the first derivative based on the energy coordinates in the trial structure obtained by (1) is within the certain range, it is determined that the quantum chemical calculation is completed,
When the calculation end judging means (B-4) judges that the quantum chemical calculation is finished, the third sending means (B-5) for sending information related to the result of the quantum chemical calculation to the host computer. And the result of the quantum chemistry calculation is an absolute value of a first-order differential vector by energy coordinates for the trial structure obtained by the quantum chemistry calculation,
Comprising

The host computer (A) further includes receiving means (A-6) for receiving information on the result of the quantum chemical calculation transmitted from the third transmitting means (B-5) of each client computer to the host computer. When,

Structure optimization judgment means (A-7) for judging whether or not the structure of the molecule is optimized from the information on the result of the quantum chemistry calculation received by the reception means (A-6), A constant value for determination is read out, and the absolute value of the first-order differential vector based on energy coordinates for the trial structure is compared with the constant value to determine whether the absolute value is equal to or less than the constant value. things and,

If the structure optimization judging means (A-7) judges that the structure of the molecule has been optimized, a command for issuing a command to the client computer (B) to stop quantum chemical calculation Means (A-8);

If the structure optimization judging means (A-7) judges that the structure of the molecule has not been optimized, a new trial structure for obtaining the coordinates of a new trial structure is obtained from information on the result of the quantum chemical calculation. Trial structure acquisition means ( A-9 ),

The primary differential vector based on the energy coordinates of the trial structure received by the receiving means (A-6) is read, and the primary differential vector based on the energy coordinates of the trial structure received by the receiving means (A-6) In the lowest case of the primary differential vector by coordinates, the coordinate (q new ) of the new trial structure is obtained by the formula (I), and the primary differential by the coordinate of the energy of the trial structure received by the receiving means (A-6). When the vector is not the lowest, the coordinates (q new ) of the new trial structure are obtained by the formula (II),
Figure 0004729889
(In the formulas (I) and (II), the vector q new represents the coordinates of the new trial structure. The vector q k represents the coordinates of the trial structure calculated immediately before. The subscript k represents the quantum. Represents the order in which chemical calculations are completed, the matrix β k represents the effective Hessian in the k th trial structure, and g k represents a vector relating to the “first derivative by the energy coordinates in the k th trial structure.” L proj k , R is an eigenvector randomly selected from a number of eigenvectors orthogonal to the vector −β k −1 g l , scalar C is a scale factor, and vector q l is calculated immediately before If the energy of the trial structure is not the lowest among all the trial structures up to the kth, it represents the coordinate of the trial structure with the lowest energy among all the trial structures up to the kth, Energy trial structures represent all cases the lowest among trial structural coordinates of trial structures most in the vicinity of the calculated attempted structure just before in all trials structure to k-th.)
When the new trial structure is obtained by the formula (I), a vector (q k ) indicating the coordinates of the trial structure received by the receiving means (A-6) and an inverse matrix (β of the effective Hessian in the trial structure k −1 ) and a vector (g k ) related to the first derivative by the energy coordinate in the trial structure, and the first order by the effective Hessian inverse matrix (β k −1 ) and the energy coordinate in the trial structure. It obtains a vector (g k) and the product (β k -1 g k) relating to differentiation, a vector indicating the coordinates of the trial structures (q k), obtaining the difference between the product (β k -1 g k) To obtain the coordinates (q new ) of the new trial structure,
When the new trial structure is obtained by the formula (II), the coordinates (q l ) of the trial structure having the lowest energy among all the trial structures are read and received by the receiving means (A-6) The product (β k ) of the inverse matrix (β k −1 ) of the effective Hessian in the trial structure and the vector (g l ) related to the first derivative by the energy coordinates in the trial structure having the lowest energy among all the trial structures. 1 g l ), one eigenvector L proj k, r is obtained from a number of eigenvectors orthogonal to the vector −β k −1 g l , the scale factor C is read, and the eigenvector L proj k, r and the scale The product (CL proj k, r ) with the factor C is obtained, the coordinates (q l ) of the trial structure having the lowest energy among all the trial structures, and the product (β k −1 g l ) and the product (CL proj k, r ) to obtain q l −β k −1 g l −CL proj k, r ,

The client computer (B) that has transmitted the result of the quantum chemistry calculation by the third transmission means (B-5), the information about the coordinates of the new trial structure acquired by the new trial structure acquisition means ( A-9 ). 4th transmission means ( A-10 ) for transmitting to),
Equipped with,

To the host computer, a step of inputting information about the calculation to be optimizing the structure,
The host computer sending information about the calculation to the plurality of client computers;
Inputting into the host computer information about the structure of the molecule whose structure is to be optimized;
The host computer obtaining a plurality of trial structures from the inputted information on the structure of the molecule;
The host computer sending information about any of the plurality of trial structures to any of the plurality of client computers;
Each client computer connected to the host computer inputting information relating to the calculation transmitted from the host computer;
Each client computer connected to the host computer inputs information regarding the trial structure transmitted from the host computer;
Each client computer connected to the host computer uses the information on the trial structure and calculation transmitted from the host computer to obtain a vector relating to the first derivative based on energy coordinates in the trial structure by quantum chemical calculation; ,
Each client computer connected to the host computer determines whether the quantum chemical calculation is completed;
Each client computer connected to the host computer, when it is determined that the quantum chemical calculation has been completed, sending information on the result of the quantum chemical calculation to the host computer;
The host computer receiving information on the results of quantum chemical calculations sent by the client computer to the host computer;
The host computer determining from the information about the result of the quantum chemical calculation whether the molecular structure has been optimized;
If the host computer determines that the structure of the molecule has been optimized, issuing instructions to each client computer to stop quantum chemistry calculations;
If the host computer determines that the molecular structure has not been optimized,
Obtaining a new trial structure coordinate (q new ) from information on the result of the quantum chemistry calculation;
Transmitting information about the coordinates (q new ) of the new trial structure to a client computer that has transmitted the result of the quantum chemical calculation;
To obtain a stable structure of molecules by a process including
Molecular structure optimization system for obtaining stable molecular structure.
前記有効ヘシアン(βk)の初期値(すなわちβ1)として,単位行列,又はエネルギー
の座標による二次微分行列,のいずれかを用いる
請求項1に記載の分子構造最適化システム。
2. The molecular structure optimization system according to claim 1, wherein an initial value (that is, β 1 ) of the effective Hessian (β k ) is either a unit matrix or a secondary differential matrix based on energy coordinates.
前記有効ヘシアン(βk)として,下記式(III)〜式(V)のいずれかにより表される暫
定へシアン(Bk)を用いる
請求項1に記載の分子構造最適化システム。
Figure 0004729889

(式(III)中,太文字の1は単位行列を表し,Δqk−l=qk−qlであり,Δgk−l=g−gである。以下,同様である。)
Figure 0004729889

Figure 0004729889
2. The molecular structure optimization system according to claim 1, wherein temporary helium (B k ) represented by any one of the following formulas (III) to (V) is used as the effective helium (β k ).
Figure 0004729889

(In the formula (III), 1 of bold represents the identity matrix, a Δq k-l = q k -q l, a Δg k-l = g k -g l. Hereinafter, the same.)
Figure 0004729889

Figure 0004729889
請求項3に記載の分子構造最適化システムであって,
前記有効ヘシアン(βk)として,
前記暫定へシアン(B)のいずれかが正値でかつ下記式(VI)を満たす場合には当該暫定ヘシアンを用い,
それ以外の場合は,下記式(VII)を用いるシステム。
Figure 0004729889

(上記式(VI)及び(VII)中,gは,k番目までの全ての試行構造の中でエネルギーが
最も低い試行構造(m番目の試行構造とする)での,エネルギーの座標による一次微分ベクトルである。スカラーR maxは,探索距離の限界値である。ωは,有効へシアンが正値になり,関係式(VIII)を満たすように求められるスカラーである。)
Figure 0004729889
The molecular structure optimization system according to claim 3,
As the effective Hessian (β k ),
If any of the provisional hessian (B k ) is positive and satisfies the following formula (VI), the provisional hessian is used,
Otherwise, a system using the following formula (VII).
Figure 0004729889

(In the above formulas (VI) and (VII), g m is the primary in terms of energy coordinates in the trial structure having the lowest energy among all the trial structures up to the k th (referred to as the m th trial structure). (The scalar R k max is the limit value of the search distance. Ω k is a scalar that is obtained so that effective Hessian becomes positive and satisfies the relational expression (VIII).)
Figure 0004729889
前記R maxの初期値(すなわちR max)として,0.0から10.0のいずれかの値を用いる請求項4に記載の分子構造最適化システム。
The molecular structure optimization system according to claim 4, wherein any one of 0.0 to 10.0 is used as an initial value of R k max (ie, R l max ).
前記R maxとして,直前の試行構造qが,n番目の試行構造q及びエネルギーの座標による一次微分ベクトルg及びo番目のへシアンBoを用いて見出された構造であって,k番目までの試行構造の中で,直前の構造qのエネルギーが最低の場合若しくはn番目の試行構造qが最低のエネルギーを有する場合,下記式(IX)を用い,そうでない場合,R max=Rk−1 maxを用いる
請求項4に記載の分子構造最適化システム。
Figure 0004729889
(上記式においてE(q)は,量子化学計算によって求められた,試行構造qでのエネルギーである。)
As R k max , the immediately preceding trial structure q k is a structure found using the n th trial structure q n and the first derivative vector g n by the energy coordinates and the o th Hessian Bo, among the attempts the structure of k to th, the case when the energy of the structure q k immediately before the minimum or the n-th trial structure q n has the lowest energy, using the following equation (IX), if not, R The molecular structure optimization system according to claim 4, wherein k max = R k−1 max is used.
Figure 0004729889
(In the above equation, E (q i ) is the energy in the trial structure q i obtained by quantum chemical calculation.)
前記Lproj k,rとして,下記式(X)を満たすものを用いる
請求項1に記載の分子構造最適化システム。
Figure 0004729889
(上記の式中,Bkは,上記式(III)〜(V)のいずれかを表す。λproj k,r 2は上記式(X)を満たすように求められる固有値を表す。Nは自由度の数を表す。)
The molecular structure optimization system according to claim 1, wherein the L proj k, r satisfies the following formula (X).
Figure 0004729889
(In the above formula, B k represents one of the above formulas (III) to (V). Λ proj k, r 2 represents an eigenvalue obtained so as to satisfy the above formula (X). Represents the number of degrees.)
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