JP4867962B2 - Multi-body problem calculation apparatus, two-body interaction calculation circuit, and multi-body problem calculation method - Google Patents
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Description
本発明は、多体問題計算技術に関する。 The present invention relates to a many-body problem calculation technique.
分子動力学の分野では、液体、固体、高分子などの挙動を、それらを構成する原子あるいは分子の動きの結果と考え、それら粒子の動きをシミュレーションして研究が行なわれる。互いに相互作用する多数の粒子からなる系を扱う問題を多体問題といい、分子動力学では、原子や分子を粒子とした多体問題の計算を行なっている。 In the field of molecular dynamics, the behavior of liquids, solids, and polymers is considered to be the result of the movement of the atoms or molecules that compose them, and research is conducted by simulating the movement of these particles. The problem of dealing with a system consisting of many particles that interact with each other is called a many-body problem, and molecular dynamics calculates many-body problems with atoms and molecules as particles.
多体問題で扱う系の粒子間には相互作用が働くので、多体問題では粒子間に働く力が重要な物理量となり、必ず計算される。ある粒子に働く力は、他の全ての粒子から及ぼされる力の総和である。 Since interaction works between the particles of the system handled in the many-body problem, the force acting between the particles becomes an important physical quantity in the many-body problem and is always calculated. The force acting on a particle is the sum of the forces exerted by all other particles.
また、物質は温度変化で圧力および体積が変化し、体積変化は粒子の位置の変化を意味するので、圧力もまた重要な物理量である。更に、その圧力を求めるために用いられるビリアルも重要な物理量として頻繁に計算される。ビリアルとは、粒子毎に、その粒子に働く力に粒子座標を乗算し、積和したものである。系内のビリアルから圧力を求めることができる。 In addition, since the pressure and volume of a substance change with temperature change, and the volume change means the change of the position of particles, pressure is also an important physical quantity. Furthermore, the virial used to determine the pressure is frequently calculated as an important physical quantity. Virial is a product obtained by multiplying the force acting on each particle by the particle coordinate and multiplying the product. The pressure can be obtained from the virial system.
ビリアルを求める装置の一例が特許文献1に開示されている。なお、特許文献1では、2つの粒子間の座標差分とその2つの粒子間に働く力とを乗算したものをビリアルとしている。
An example of an apparatus for obtaining virial is disclosed in
図8を参照すると、特許文献1に開示されている計算装置は、座標差分計算部81と、距離二乗計算部82と、関数計算部83と、遅延部84と、力計算部85と、ビリアル計算部86と、力総和計算部87と、ビリアル総和計算部88とを有している。
Referring to FIG. 8, the calculation device disclosed in
ここでは、系内に多数ある粒子の内、計算対象の粒子を粒子iとし、粒子iに影響を与える他の粒子を粒子jとする。また、粒子iの座標を(xi,yi,zi)とし、粒子jの座標を(xj,yj,zj)とする。粒子jが粒子iに及ぼす力の大きさをFとする。 Here, among the many particles in the system, the particle to be calculated is a particle i, and the other particle that affects the particle i is a particle j. Also, the coordinates of the particle i are (x i , y i , z i ), and the coordinates of the particle j are (x j , y j , z j ). Let F be the magnitude of the force that particle j exerts on particle i.
座標差分計算部81は、2つの粒子i,jの座標を入力とし、式(1)〜(3)に従って座標差分Δxj,Δyj,Δzjを計算する。
The coordinate
Δxj=xj−xi … (1)
Δyj=yj−yi … (2)
Δzj=zj−zi … (3)
Δx j = x j −x i (1)
Δy j = y j −y i (2)
Δz j = z j −z i (3)
距離二乗計算部82は、座標差分計算部81で得られた座標差分から、式(4)に従って粒子間距離rの二乗を計算する。
The distance square calculation unit 82 calculates the square of the interparticle distance r from the coordinate difference obtained by the coordinate
r2= (Δxj)2 + (Δyj)2 + (Δzj)2 … (4) r 2 = (Δx j ) 2 + (Δy j ) 2 + (Δz j ) 2 (4)
関数計算部83は、距離二乗計算部82で得られた粒子間距離rの二乗を入力とし、粒子jから粒子iに及ぼされる力Fを粒子間距離rで割った値F/rを計算する。粒子間に働く力は、力の種類や粒子の種類によって異なる関数形で与えられるが、いずれの場合でも粒子間距離rが決まれば一意に値が求まる。そのため、粒子間距離rの二乗から力Fが求まり、さらに力を距離で割った値F/rが求まる。 The function calculation unit 83 receives the square of the interparticle distance r obtained by the distance square calculation unit 82 as an input, and calculates a value F / r obtained by dividing the force F exerted on the particle i from the particle j by the interparticle distance r. . The force acting between the particles is given in a different function form depending on the type of force and the type of particle. In any case, a value can be uniquely obtained if the interparticle distance r is determined. Therefore, the force F is obtained from the square of the interparticle distance r, and a value F / r obtained by dividing the force by the distance is obtained.
遅延部84は、座標差分計算部81で得られた座標差分Δxj,Δyj,Δzjを遅延させる。この遅延は、関数計算部83での計算にかかる時間を調整するためのものである。
The delay unit 84 delays the coordinate differences Δx j , Δy j , Δz j obtained by the coordinate
力計算部85は、遅延部84からの座標差分Δxj,Δyj,Δzjと、関数計算部83からの値F/rとを入力とし、式(5)〜(7)に従って各座標軸方向の力の成分Fx,Fy,Fzを計算する。 The force calculation unit 85 receives the coordinate differences Δx j , Δy j , Δz j from the delay unit 84 and the value F / r from the function calculation unit 83 and inputs each coordinate axis direction according to equations (5) to (7). The force components Fx, Fy, and Fz are calculated.
Fx=F×(Δxj/r)=(F/r)×Δxj … (5)
Fy=F×(Δyj/r)=(F/r)×Δyj … (6)
Fz=F×(Δzj/r)=(F/r)×Δzj … (7)
Fx = F × (Δx j / r) = (F / r) × Δx j (5)
Fy = F × (Δy j / r) = (F / r) × Δy j (6)
Fz = F × (Δz j / r) = (F / r) × Δz j (7)
ビリアル計算部86は、遅延部84からの座標差分Δxj,Δyj,Δzjと、力計算部85からの力の成分Fx,Fy,Fzとを入力とし、式(8)〜(10)に従って各座標軸方向のビリアルの成分Vx,Vy,Vzを計算する。
The
Vx=Fx×Δxj … (8)
Vy=Fy×Δyj … (9)
Vz=Fz×Δzj … (10)
Vx = Fx × Δx j (8)
Vy = Fy × Δy j (9)
Vz = Fz × Δz j (10)
力総和計算部87は、力計算部85からの、粒子i以外の全ての粒子を粒子jとした、粒子jによる力の成分Fx,Fy,Fzを入力とし、全ての粒子jから粒子iに及ぼされる力の総和を求める。ビリアル総和計算部88は、系全体のビリアルを計算する。
The force summation calculation unit 87 receives all the particles other than the particle i from the force calculation unit 85 as the particle j, inputs the force components Fx, Fy, and Fz of the particle j, and converts all the particles j into the particle i. Find the total force exerted. The virial
特許文献1に記載されている技術によれば、力およびその総和と、ビリアルおよびその総和とを求めることができる。しかし、特許文献1に記載されている技術では、力計算部において(F/r)と座標差分とを乗算し、ビリアル計算部において力と座標差分とを乗算しており、力計算部だけでなくビリアル計算部にも乗算回路が必要になるため、ハードウェア量が多くなるという問題がある。このような問題点を解決するため、ビリアル計算部をソフトウェアによって実現するということが考えられる。しかし、系全体のビリアルを計算する場合、系内の粒子数Nに対する計算量のオーダーはO(N2)となり、ソフトウェアによって計算したのでは、計算時間が膨大なものになってしまう。
According to the technique described in
そこで、本発明の目的は、ハードウェアを用いて系全体のビリアルを計算するようにした場合には、ハードウェア量が多くなり、ソフトウェアを用いて系全体のビリアルを計算するようにした場合には、計算時間が膨大になるという課題を解決するための技術を提供することにある。 Therefore, the object of the present invention is to increase the amount of hardware when the virial of the entire system is calculated using hardware, and when the virial of the entire system is calculated using software. Is to provide a technique for solving the problem of enormous calculation time.
本発明にかかる第1の多体問題計算装置は、
周期的境界条件を適用する系における基本セル内の粒子の1つを計算対象粒子として選択し、前記周期的境界条件のイメージセルを順次処理単位にして、そのイメージセル内の粒子が前記計算対象粒子に対して及ぼす力の総和を求めるという処理を、前記基本セル内の全ての粒子を計算対象粒子として選択するまで繰り返し行うと共に、前記基本セル内の粒子毎にその粒子に働く力の総和を求めて保持する力総和計算部と、
該力総和計算部においてイメージセル単位の力の総和が求められる毎に、その力の総和の各座標成分を順次選択する選択回路と、
前記力総和計算部において処理単位にされているイメージセルと前記基本セルとの位置関係に基づいて、前記選択回路で選択された力の総和の座標成分をそのまま出力するか、符号を反転して出力するか、或いは出力を0とする加減算制御回路と、
ビリアルの成分毎の加算結果が保持される保持回路と、
前記加減算制御回路の出力と、前記保持回路に保持されている加算結果の内の、前記加減算制御回路の出力に対応する成分の加算結果とを加算し、加算結果を前記保持回路に格納する加算器と、
ビリアルの成分毎に、前記基本セル内の粒子の粒子座標と前記力総和計算部に保持されている前記基本セル内の粒子に働く力の総和とを用いて、その成分についての力の総和と粒子座標との積和を求める第1の処理と、前記保持回路に保持されているその成分についての加算結果と定数とを乗算する第2の処理と、前記第1の処理で求めた積和結果と前記第2の処理で求めた乗算結果との差分を求める第3の処理とを行うためのソフトウェアを実行するソフトウェア実行部とを備える。
A first many-body problem calculation apparatus according to the present invention is:
One of the particles in the basic cell in the system to which the periodic boundary condition is applied is selected as a calculation target particle, and the image cells of the periodic boundary condition are sequentially set as processing units, and the particles in the image cell are the calculation target. The process of obtaining the sum of the forces acting on the particles is repeated until all the particles in the basic cell are selected as calculation target particles, and the sum of the forces acting on the particles for each particle in the basic cell is calculated. A total force calculation unit to find and hold;
A selection circuit that sequentially selects each coordinate component of the sum of forces each time the sum of forces in an image cell is obtained in the force sum calculator;
Based on the positional relationship between the image cell and the basic cell, which is a processing unit in the force sum calculation unit, the coordinate component of the sum of the forces selected by the selection circuit is output as it is, or the sign is inverted. An addition / subtraction control circuit for outputting or setting the output to 0;
A holding circuit that holds the addition result for each component of the virial; and
An addition for adding the output of the addition / subtraction control circuit and the addition result of the component corresponding to the output of the addition / subtraction control circuit among the addition results held in the holding circuit and storing the addition result in the holding circuit And
For each virial component, using the particle coordinates of the particles in the basic cell and the sum of the forces acting on the particles in the basic cell held in the force sum calculation unit, A first process for obtaining a product sum with the particle coordinates, a second process for multiplying the addition result of the component held in the holding circuit by a constant, and a product sum obtained by the first process. A software execution unit that executes software for performing a third process for obtaining a difference between the result and the multiplication result obtained in the second process;
本発明にかかる第1の二体間相互作用計算回路は、
多体問題計算装置の構成要素である二体間相互作用計算回路であって、
周期的境界条件を適用する系における基本セル内の粒子の1つを計算対象粒子として選択し、前記周期的境界条件のイメージセルを順次処理単位にして、そのイメージセル内の粒子が前記計算対象粒子に対して及ぼす力の総和を求めるという処理を、前記基本セル内の全ての粒子を計算対象粒子として選択するまで繰り返し行うと共に、前記基本セル内の粒子毎にその粒子に働く力の総和を求めて保持する力総和計算部と、
該力総和計算部においてイメージセル単位の力の総和が求められる毎に、その力の総和の各座標成分を順次選択する選択回路と、
前記力総和計算部において処理単位にされているイメージセルと前記基本セルとの位置関係に基づいて、前記選択回路で選択された力の総和の座標成分をそのまま出力するか、符号を反転して出力するか、或いは出力を0とする加減算制御回路と、
ビリアルの成分毎の加算結果が保持される保持回路と、
前記加減算制御回路の出力と、前記保持回路に保持されている加算結果の内の、前記加減算制御回路の出力に対応する成分の加算結果とを加算し、加算結果を前記保持回路に格納する加算器とを備える。
A first two-body interaction calculation circuit according to the present invention includes:
A two-body interaction calculation circuit that is a component of a multi-body problem calculation device,
One of the particles in the basic cell in the system to which the periodic boundary condition is applied is selected as a calculation target particle, and the image cells of the periodic boundary condition are sequentially set as processing units, and the particles in the image cell are the calculation target. The process of obtaining the sum of the forces acting on the particles is repeated until all the particles in the basic cell are selected as calculation target particles, and the sum of the forces acting on the particles for each particle in the basic cell is calculated. A total force calculation unit to find and hold;
A selection circuit that sequentially selects each coordinate component of the sum of forces each time the sum of forces in an image cell is obtained in the force sum calculator;
Based on the positional relationship between the image cell and the basic cell, which is a processing unit in the force sum calculation unit, the coordinate component of the sum of the forces selected by the selection circuit is output as it is, or the sign is inverted. An addition / subtraction control circuit for outputting or setting the output to 0;
A holding circuit that holds the addition result for each component of the virial; and
An addition for adding the output of the addition / subtraction control circuit and the addition result of the component corresponding to the output of the addition / subtraction control circuit among the addition results held in the holding circuit and storing the addition result in the holding circuit With a vessel.
本発明にかかる第1の多体問題計算方法は、
力総和計算部が、周期的境界条件を適用する系における基本セル内の粒子の1つを計算対象粒子として選択し、前記周期的境界条件のイメージセルを順次処理単位にして、そのイメージセル内の粒子が前記計算対象粒子に対して及ぼす力の総和を求めるという処理を、前記基本セル内の全ての粒子を計算対象粒子として選択するまで繰り返し行うと共に、前記基本セル内の粒子毎にその粒子に働く力の総和を求めて保持し、
選択回路が、該力総和計算部においてイメージセル単位の力の総和が求められる毎に、その力の総和の各座標成分を順次選択し、
加減算制御回路が、前記力総和計算部において処理単位にされているイメージセルと前記基本セルとの位置関係に基づいて、前記選択回路で選択された力の総和の座標成分をそのまま出力するか、符号を反転して出力するか、或いは出力を0とし、
加算器が、前記加減算制御回路の出力と、保持回路に保持されているビリアルの各成分についての加算結果の内の、前記加減算制御回路の出力に対応する成分の加算結果とを加算し、加算結果を前記保持回路に格納し、
ソフトウェア実行部が、ビリアルの成分毎に、前記基本セル内の粒子の粒子座標と前記力総和計算部に保持されている前記基本セル内の粒子に働く力の総和とを用いて、その成分についての力の総和と粒子座標との積和を求める第1の処理と、前記保持回路に保持されているその成分についての加算結果と定数とを乗算する第2の処理と、前記第1の処理で求めた積和結果と前記第2の処理で求めた乗算結果との差分を求める第3の処理とを行うためのソフトウェアを実行する。
The first many-body problem calculation method according to the present invention is:
The force summation calculation unit selects one of the particles in the basic cell in the system to which the periodic boundary condition is applied as a calculation target particle, and sequentially sets the image cell of the periodic boundary condition as a processing unit. The process of obtaining the sum of the forces exerted by the particles on the calculation target particles is repeated until all the particles in the basic cell are selected as calculation target particles, and for each particle in the basic cell, the particle To find and hold the sum of the forces
Each time the selection circuit calculates the total force of the image cell unit in the force total calculation unit, it sequentially selects each coordinate component of the total force,
The addition / subtraction control circuit outputs, as it is, the coordinate component of the sum of the forces selected by the selection circuit based on the positional relationship between the image cells and the basic cells that are processing units in the force sum calculation unit, Invert the sign to output, or set the output to 0,
An adder adds the output of the addition / subtraction control circuit and the addition result of the component corresponding to the output of the addition / subtraction control circuit among the addition results for each virial component held in the holding circuit, and adds Storing the result in the holding circuit;
For each component of the virial component, the software execution unit uses the particle coordinates of the particles in the basic cell and the sum of the forces acting on the particles in the basic cell held in the force sum calculation unit. A first process for obtaining the sum of products of the total force and the particle coordinates, a second process for multiplying the addition result for the component held in the holding circuit and a constant, and the first process The software for performing the third process for obtaining the difference between the product-sum result obtained in
本発明によれば、多体問題計算装置のハードウェア量を削減し、且つ計算時間の増加を防ぐことができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the amount of hardware of a many-body problem calculation apparatus can be reduced, and the increase in calculation time can be prevented.
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Next, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
先ず、本発明の基本的な考え方について説明する。本発明は、図1に示すような格子ベクトルn=(0,0,0)で示される基本セルの回りを格子ベクトルn=(nx,ny,nz)で示されるイメージセルが取り囲んでいる周期的境界条件下において、ビリアルの計算式を、式(11)に示すように系内の粒子数Nに対する計算量のオーダーがO(N2)である右辺第2項と、計算量のオーダーがO(N)となる右辺第1項とに分離した形式で表現する。 First, the basic concept of the present invention will be described. The present invention surrounds the image cell indicated by around the basic cell = lattice vector n represented by the lattice vector n = (0,0,0), as shown in FIG. 1 (n x, n y, n z) Under the periodic boundary condition, the virial calculation formula is expressed by the second term on the right side where the order of the calculation amount with respect to the number N of particles in the system is O (N 2 ), as shown in Equation (11), and the calculation amount Is expressed in a form separated into the first term on the right side where the order of O (N) is O (N).
ここで、式(11)について詳しく説明しておく。式(11)は、図1をz軸の格子ベクトルが0のXY平面で見た図2において、格子ベクトルn=(0,0,0)で示される各辺の長さがLx,Ly,Lzの基本セル内のある中心粒子iの位置を座標(xi,yi,zi)で表し、基本セル内の粒子i以外の粒子jの位置を座標(xj,yj,zj)で表し、格子ベクトルn=(nx,ny,nz)で示されるイメージセルn内の粒子jnを座標(xjn,yjn,zjn)で表し、粒子iに対して粒子jから及ぼされる力fijのx座標成分をfxijとし、粒子jnから及ぼされる力fijnのx座標成分をfxijnとし、 粒子iに対して全ての粒子から及ぼされる力の総和のx座標成分をFxiとした際の、圧力テンソルのxx成分のビリアルVxxを表している。 Here, Formula (11) will be described in detail. Equation (11) is obtained when the length of each side indicated by the lattice vector n = (0, 0, 0) is L x , L in FIG. 2 in which FIG. 1 is viewed in the XY plane where the z-axis lattice vector is 0. The position of a central particle i in the basic cell of y and L z is expressed by coordinates (x i , y i , z i ), and the position of a particle j other than the particle i in the basic cell is expressed by coordinates (x j , y j , expressed as z j) represents the lattice vector n = (n x, n y, the particles jn in the image cell n represented by n z) coordinates (x jn, y jn, with z jn), with respect to the particle i Te x-coordinate component of the force f ij exerted by particle j and f xij, the x-coordinate component of the force f ijn exerted by particles jn and f xijn, the sum of the forces exerted by all particles to the particle i This represents the virial V xx of the xx component of the pressure tensor when the x coordinate component is F xi .
そして、本発明では、式(11)のオーダーO(N)の部分の内、Fxiはハードウェアで計算し、Fxiとxiとの乗算および乗算結果の積算はソフトウェアにより行う。また、式(11)のオーダーO(N2)の部分の内のΣΣnxΣfxijnの部分は、イメージセルの基本セルに対する位置を示す格子ベクトルnの値に基づいて、この格子ベクトルnで示されるイメージセル内の力の総和を、それまでの積算値に加算あるいは減算する回路構成のハードウェアを用いて計算する。この回路構成には乗算器が不要であり、ハードウェア量の削減および消費電力の低減を図ることができる。また、オーダO(N2)の部分の内の定数1/2と基本セルのx軸方向の長さLxとの乗算、およびこの乗算の乗算結果(1/2・Lx)とΣΣnxΣfxijnとの乗算は、ソフトウェアで計算する。 In the present invention, F xi is calculated by hardware in the order O (N) of Expression (11), and the multiplication of F xi and xi and the multiplication result are performed by software. Further, the part of ΣΣn x Σf xijn in the part of the order O (N 2 ) in the expression (11) is indicated by this lattice vector n based on the value of the lattice vector n indicating the position of the image cell with respect to the basic cell. The total sum of the forces in the image cell is calculated using hardware having a circuit configuration for adding to or subtracting from the previous integrated value. This circuit configuration does not require a multiplier and can reduce the amount of hardware and power consumption. Further, the multiplication of the constant 1/2 in the portion of the order O (N 2 ) and the length Lx in the x-axis direction of the basic cell, and the multiplication result (1/2 · L x ) of this multiplication and ΣΣn x Σf Multiplication with xijn is calculated by software.
圧力テンソルの成分には式(11)で示したxx成分を含めて、yy、zz、xy、yz、zx、yx、zy、xzの9成分があり、yy、zz成分の計算式は式(11)の座標xi、力の総和Fxi、基本セルの一辺の長さLx、格子ベクトルnx、粒子jnから及ぼされる力の和Σfxijnをy座標成分やz座標成分に変更するだけで計算式の形式は同一である。また、xy、yx、yz、zy、zx、xz成分については、xy成分の計算式を一例として挙げると、式(12)に示す計算式となる。 The components of the pressure tensor include the nine components yy, zz, xy, yz, zz, yz, yz, and xz including the xx component shown in the equation (11). 11) The coordinate x i , the total force F xi , the length L x of one side of the basic cell, the lattice vector n x , and the sum Σf xijn of the force exerted from the particle jn are simply changed to the y coordinate component and the z coordinate component. And the form of the calculation formula is the same. For the xy, yx, yz, zy, zx, and xz components, the calculation formula of the xy component is given as an example, and the calculation formula shown in Formula (12) is obtained.
式(12)は式(11)の座標xiをy座標yiに変更し、基本セルのx軸方向の長さLxをy軸方向の長さLyに変更し、格子ベクトルnのx座標成分nxをy座標成分nyに変更したものである。ハードウェアで計算する部分ΣΣnxΣfxijn,ΣΣnyΣfxijn,ΣΣnzΣfxijn,…に着目すると、この部分を計算する回路は、イメージセルに含まれる粒子jによる力の各座標成分の総和Σfxijn、Σfyijn、Σfzijnと、格子ベクトルの各座標成分nx、ny、nzとを入力し、計算する成分に応じて入力を選択する構成を採用することにより、各成分毎に計算回路を設けることなく、全ての成分を1成分分のハードウェア量の計算回路を利用して計算できることが分かる。また、力はFxi,Fyi,Fziのように中心粒子i毎に計算するのに対し、ビリアルは力と異なり系全体について総和を計算するので、パイプラインを複数用意して並列度を上げたとしても最終的に全て加算されるため、ビリアルの加算回路、加算結果の保持手段は一つで良い。以上のようにビリアルの計算回路を多体問題計算装置内に一つ持つことで、加算回路、保持回路をビリアルの全ての成分について持つ必要はなく、並列度を上げるためにパイプラインを増やしてもビリアル計算回路を増やす必要もなく、ハードウェア量の削減を可能としている。 Equation (12) changes the coordinate x i in equation (11) to the y coordinate y i , changes the length L x in the x-axis direction of the basic cell to the length L y in the y-axis direction, and the x-coordinate component n x is replaced by a y-coordinate component n y. Partial ΣΣn x Σf xijn be computed in hardware, ΣΣn y Σf xijn, ΣΣn z Σf xijn, paying attention ... to a circuit for calculating this part is the sum of each coordinate component of the force by the particles j included in the image cell .SIGMA.f By inputting xijn , Σf yijn , Σf zijn and each coordinate component n x , n y , nz of the lattice vector, and selecting the input according to the component to be calculated, calculation is performed for each component. It can be seen that all components can be calculated using a hardware amount calculation circuit for one component without providing a circuit. The force is calculated for each central particle i like F xi , F yi , and F zi , whereas Virial calculates the sum for the entire system unlike the force, so prepare multiple pipelines to increase the degree of parallelism. Even if they are raised, all are added eventually, so there is only one virial adder circuit and one addition result holding means. By having one virial calculation circuit in the multi-body problem calculation device as described above, it is not necessary to have an adder circuit and a holding circuit for all components of the virial, and increase the pipeline to increase the degree of parallelism. However, it is possible to reduce the amount of hardware without having to increase the number of virial calculation circuits.
〔本発明の第1の実施の形態〕
図3を参照すると、本発明の第1の実施の形態にかかる多体問題計算装置1は、二体間相互作用計算回路2と、CPUなどによって実現されるソフトウェア実行部3と、制御部4とを備えている。
[First embodiment of the present invention]
Referring to FIG. 3, a multi-body
二体間相互作用計算回路2は、中心粒子座標保持部21と、基本セル情報保持部22と、格子ベクトル保持部23と、座標差分計算部24と、座標差分遅延部25と、距離二乗計算部26と、関数計算部27と、力計算部28と、力総和計算部29と、ビリアル計算部30と、格子ベクトル遅延部31とを備えている。
The two-body interaction calculation circuit 2 includes a center particle coordinate holding
中心粒子座標保持部21には、制御部4によって計算対象にする中心粒子iの座標ri(xi,yi,zi)が設定される。
In the central particle coordinate holding
基本セル情報保持部22には、制御部4によって基本セルの大きさ(Lx,Ly,Lz)が設定される。 In the basic cell information holding unit 22, the size (L x , L y , L z ) of the basic cell is set by the control unit 4.
格子ベクトル保持部23には、制御部4によって計算対象にするイメージセルを示す格子ベクトルn(nx,ny,nz)が設定される。 A lattice vector n ( nx , ny , nz ) indicating an image cell to be calculated by the control unit 4 is set in the lattice vector holding unit 23.
座標差分計算部24は、制御部4から入力された計算対象にする粒子jの座標rjn(xjn,yjn,zjn)と、中心粒子座標保持部21に保持されている中心粒子iの座標rin(xin,yin,zin)との座標差分を計算する。具体的には、周期的境界条件であるため、中心粒子iの座標ri(xi,yi,zi)と、粒子jの座標rjn(xjn,yjn,zjn)を鏡像変換した座標rjn’=(xjn+nxLx,yjn+nyLy,zjn+nzLz)との差分rijn=(xi−(xjn+nxLx), yi−(yjn+nyLy),zi−(zjn+nzLz))を計算する。
The coordinate difference calculation unit 24 receives the coordinates r jn (x jn , y jn , z jn ) of the particle j to be calculated input from the control unit 4 and the central particle i held in the central particle coordinate holding
座標差分遅延部25は、図8に示した遅延部84と同一の構成を有し、座標差分計算部24で計算された座標差分rijnを、当該座標差分rijnが力計算部28において利用されるタイミングになるまで遅延(保持)する。 The coordinate difference delay unit 25 has the same configuration as the delay unit 84 shown in FIG. 8, and the coordinate difference r ijn calculated by the coordinate difference calculation unit 24 is used in the force calculation unit 28 by the coordinate difference r ijn. Delay (hold) until the timing is reached.
距離二乗計算部26は、図8に示した距離二乗計算部82と同様の構成を有し、座標差分rijnから距離の二乗|rijn|2を計算する。 The distance square calculation unit 26 has the same configuration as the distance square calculation unit 82 shown in FIG. 8, and calculates the square of distance | r ijn | 2 from the coordinate difference r ijn .
関数計算部27は、図8に示した関数計算部83と同様の構成を有し、fijn/rijnを計算する。
The
力計算部28は、図8に示した力計算部85と同様の構成を有し、fijn/rijnと座標差分rijnとから、粒子jが中心粒子iに及ぼす力fijn=(fxijn,fyijn,fzijn)を計算する。 The force calculation unit 28 has the same configuration as that of the force calculation unit 85 shown in FIG. 8, and the force f ijn = (f that the particle j exerts on the central particle i from f ijn / r ijn and the coordinate difference r ijn. xijn, f yijn, to calculate the f zijn).
力総和計算部29は、力計算部28で計算された力fijnから計算対象にしている中心粒子iに及ぼされる力の総和Σfijnをイメージセル単位で計算し、ビリアル計算部30に出力する。また、力総和計算部29は、計算対象にした中心粒子i毎に、その粒子iに及ぼされる力の総和Fi=(Fxi,Fyi,Fzi)計算し、力保持回路291(図4参照)に保持する。
The force sum calculation unit 29 calculates the sum Σf ijn of the force exerted on the center particle i to be calculated from the force f ijn calculated by the force calculation unit 28 for each image cell, and outputs it to the
格子ベクトル遅延部31は、格子ベクトル保持部23に保持された格子ベクトルnを、当該格子ベクトルnがビリアル計算部30において利用されるタイミングになるまで遅延(保持)する。
The lattice
ビリアル計算部30は、力総和計算部29で計算された力の総和Σfijnと、格子ベクトルnとからビリアルを計算する。
The
図4を参照すると、ビリアル計算部30は、選択回路301、302、306と、加減算制御回路303と、加算器304と、ビリアル保持回路305とから構成されている。
Referring to FIG. 4, the
選択回路301は、力総和計算部29から入力されるセル単位の力の総和の各成分Σfxijn,Σfyijn,Σfzijnを順次選択し、加減算制御回路303に出力する。選択回路302は、格子ベクトル遅延部31から入力されている格子ベクトルnの各座標成分nx,ny,nzを順次選択し、加減算制御回路303に出力する。
The selection circuit 301 sequentially selects each component Σfx ijn , Σf yijn , Σf zijn of the sum of forces in cell units input from the force sum calculation unit 29 and outputs the selected components to the addition / subtraction control circuit 303. The
加減算制御回路303は、選択回路302で選択された格子ベクトルnの座標成分の値が「正」、「負」、「0」であるかによって次のような処理を行う。
・「正」の場合;選択回路301で選択されたセル単位の力の総和の座標成分をそのまま加算器304に出力する。
・「負」の場合;選択回路301で選択されたセル単位の力の総和の座標成分を、符号反転して加算器304に出力する。
・「0」の場合;0を加算器304に出力する。
The addition / subtraction control circuit 303 performs the following processing depending on whether the value of the coordinate component of the lattice vector n selected by the
In the case of “positive”; the coordinate component of the sum of forces in cell units selected by the selection circuit 301 is output to the
In the case of “negative”: the coordinate component of the total force of the cell unit selected by the selection circuit 301 is inverted and output to the
In the case of “0”: 0 is output to the
ビリアル保持回路305には、ビリアルの各座標成分の積算値が保持される。選択回路306は、ビリアル保持回路305に保持されているビリアルの各座標成分の積算値を順次選択し、加算器304に出力する。加算器304は、加減算制御回路303の出力と選択回路306の出力とを加算し、ビリアル保持回路305に保存する。
The virial holding circuit 305 holds an integrated value of each coordinate component of the virial. The selection circuit 306 sequentially selects the integrated value of each coordinate component of the virial held in the virial holding circuit 305 and outputs it to the
〔第1の実施の形態の動作の説明〕
次に、図5のフローチャートを参照して本実施の形態の動作について詳細に説明する。
[Description of Operation of First Embodiment]
Next, the operation of the present embodiment will be described in detail with reference to the flowchart of FIG.
先ず、制御部4は、基本セルの大きさL(Lx,Ly,Lz)を基本セル情報保持部22に設定する(ステップS500)。次いで、制御部4は、基本セルに含まれている粒子の中から計算対象にする粒子を1つ選択し、その粒子iの座標ri(xi,yi,zi)を中心粒子座標保持部21に設定する(ステップS501)。その後、制御部4は、イメージセルの内の1つを選択し、そのイメージセルを指し示す格子ベクトルn(nx,ny,nz)を格子ベクトル保持部23に設定する(ステップS502)。 First, the control unit 4 sets the size L (L x , L y , L z ) of the basic cell in the basic cell information holding unit 22 (step S500). Next, the control unit 4 selects one particle to be calculated from the particles included in the basic cell, and uses the coordinates r i (x i , y i , z i ) of the particle i as the central particle coordinates. Set to the holding unit 21 (step S501). Thereafter, the control unit 4 selects one of the image cells, and sets a lattice vector n ( nx , ny , nz ) indicating the image cell in the lattice vector holding unit 23 (step S502).
その後、制御部4は、ステップS502で選択したイメージセル中の粒子を1つ選択し、選択した粒子jnの座標rjn(xjn,yjn,zjn)を座標差分計算部24に入力する(ステップS503)。 Thereafter, the control unit 4 selects one particle in the image cell selected in step S502, and inputs the coordinates r jn (x jn , y jn , z jn ) of the selected particle jn to the coordinate difference calculation unit 24. (Step S503).
これにより、座標差分計算部24において粒子iと粒子jnとの座標差分rijnが計算され、力計算部28において上記座標差分rijnと関数計算部27で求められたfijn/rijnとに基づいて粒子jnが粒子iに及ぼす力fijnが計算され、計算結果が力総和計算部29に出力される(ステップS504)。力総和計算部29では、力計算部28から出力された力fijnを積算する(ステップS505)。
As a result, the coordinate difference calculation unit 24 calculates the coordinate difference r ijn between the particle i and the particle jn, and the force calculation unit 28 converts the coordinate difference r ijn to f ijn / r ijn obtained by the
制御部4は、ステップS502で選択したイメージセル内の全ての粒子jnを選択するまで(ステップS506がYとなるまで)、上記イメージセル内の粒子jnの座標rjnを順次座標差分計算部24に出力する。そして、上記イメージセル内の全ての粒子jnを選択し、上記処理が終了すると、制御部4は、ビリアル計算部30に対してビリアルの計算を行うことを指示する(ステップS507)。このとき、力総和計算部29からは、ステップS502で選択したイメージセル内の粒子jnが粒子iに及ぼす力の総和Σfijnの各座標成分が出力されている。また、格子ベクトル遅延部31からは、ステップS502で選択したイメージセルを指し示す格子ベクトルn=(nx,ny,nz)が出力されている。
The controller 4 sequentially calculates the coordinates r jn of the particles jn in the image cell until the particles jn in the image cell selected in step S502 are selected (until Y in step S506). Output to. Then, when all the particles jn in the image cell are selected and the above process is completed, the control unit 4 instructs the
ビリアル計算部30では、上記指示を受けると、先ず、選択回路302が格子ベクトルn=(nx,ny,nz)のx座標成分nxを選択し、選択回路301が力の総和Σfijnのx,y,z座標成分を順次選択し、選択回路306がビリアル保持回路305に保持されているビリアルのXX,YX,ZX成分を順次選択する。加減算制御回路303は、選択回路302から出力されているnxの値が「正」であれば、選択回路301から順次出力される力の総和Σfijnのx,y,z座標成分をそのまま出力し、「負」であれば選択回路301から順次出力される力の総和Σfijnのx,y,z座標成分を符号反転して出力し、「0」であれば0を出力する。加算器304は、加減算制御回路303から順次出力される力の総和Σfijnのx,y,z座標成分に関する値と、選択回路306から順次出力されるビリアルのXX,YX,ZX成分とを加算し、加算結果をビリアル保持回路305に再び格納する。
The
その後、選択回路302が格子ベクトルnのy座標成分nyを選択し、選択回路301が力の総和Σfijnのx,y,z座標成分を順次選択し、選択回路306がビリアルのXY,YY,ZY成分を選択する。これにより、加算器304がビリアル保持回路305に保持されているビリアルのXY,YY,ZY成分を更新する。
After that, the
そして、最後に、選択回路302が格子ベクトルnのz座標成分nzを選択し、選択回路301が力の総和Σfijnのx,y,z座標成分を順次選択し、選択回路306がビリアルのXZ,YZ,ZZ成分を順次選択する。これにより、加算器304がビリアル保持回路305に保持されているビリアルのXZ,YZ,ZZ成分を更新する(ステップS508)。
Finally, the
その後、制御部4は、系内の全てのイメージセルについてビリアルの計算が完了したか否か判定する(ステップS509)。全てのイメージセルについてのビリアルの計算が完了していなければ、制御部4は、ステップS502に戻って次のイメージセルを選択する。これに対して、全てのイメージセルについてのビリアルの計算が完了していれば、基本セル内の全ての粒子iについてのビリアルの計算が完了しているか否か判定する(ステップS510)。 Thereafter, the control unit 4 determines whether or not the virial calculation has been completed for all the image cells in the system (step S509). If the virial calculation has not been completed for all the image cells, the control unit 4 returns to step S502 and selects the next image cell. On the other hand, if the calculation of virials for all the image cells is completed, it is determined whether the calculation of virials for all the particles i in the basic cell is completed (step S510).
そして、基本セル内の全ての粒子iについてのビリアルの計算が完了していなければ、制御部4は、ステップS501に戻って次の粒子iを選択する。これに対して、全ての粒子iについてのビリアルの計算が完了していれば、制御部4は、二体間相互作用計算回路2(ハードウェア)を利用した計算を終了し、ソフトウェア実行部3を起動する(ステップS511)。 If the calculation of virials for all the particles i in the basic cell has not been completed, the control unit 4 returns to step S501 and selects the next particle i. On the other hand, if the calculation of virials for all the particles i has been completed, the control unit 4 ends the calculation using the two-body interaction calculation circuit 2 (hardware), and the software execution unit 3 Is activated (step S511).
これにより、ソフトウェア実行部3は、ビリアル計算部30内のビリアル保持回路305に保持されているビリアルの各成分ΣΣnxΣfxijn ,ΣΣnyΣfyijn ,ΣΣnzΣfzijn ,ΣΣnyΣfxijn ,ΣΣnzΣfyijn ,ΣΣnxΣfzijn ,ΣΣnxΣfyijn ,ΣΣnyΣfzijn ,ΣΣnzΣfxijnを取得すると共に、力総和計算部29の力保持回路291に保持されている粒子i毎の力の総和Fiを取得する(ステップS512)。
Thus, the software execution unit 3,
その後、ソフトウェア実行部3は、ステップS512で取得したビリアルと力の総和とに基づいて系全体のビリアルを計算する(ステップS513)。ここでは、xx、yy、zz、xy、yz、zx、yx、zy、xz成分のビリアルがそれぞれ計算される。例えば、xx成分のビリアルVxxは、次のようにして計算される。先ず、式(1)の第1項に示す演算を行う。すなわち、粒子i毎にその粒子iに働く力の総和のx座標成分とその粒子iのx座標とを乗算し、それらの和(第1の演算結果)を求める。次に、式(2)の第2項に示す演算を行う。すなわち、ビリアル計算部30内のビリアル保持回路305から取得したΣΣnxΣfxijnに、定数1/2と、基本セルの長さLxとを乗算し、乗算結果(第2の演算結果)を求める。その後、第1の演算結果から第2の演算結果を減算することによりビリアルVxxを求める。
Thereafter, the software execution unit 3 calculates the virial of the entire system based on the virial acquired in step S512 and the total force (step S513). Here, virials of xx, yy, zz, xy, yz, zx, yz, zy, and xz components are respectively calculated. For example, virial V xx of the xx component is calculated as follows. First, the calculation shown in the first term of equation (1) is performed. That is, for each particle i, the x-coordinate component of the total force acting on the particle i is multiplied by the x-coordinate of the particle i to obtain the sum (first calculation result). Next, the calculation shown in the second term of Expression (2) is performed. That is, ΣΣn x Σf xijn acquired from the virial holding circuit 305 in the
〔第1の実施の形態の効果〕
本実施の形態によれば、多体問題計算装置のハードウェア量を削減しつつ、計算時間の増大を防ぐことができる。その理由は、系全体のビリアルを求めるための処理を、計算量のオーダーは大きいが、乗算は不要な部分と、計算量のオーダーは小さいが、乗算が必要になる部分とに分割し、計算量のオーダーが大きくなる部分はビリアル計算部30(ハードウェア)で計算し、計算量のオーダーが小さくなる部分はソフトウェア実行部3(ソフトウェア)で計算するようにしたからである。
[Effect of the first embodiment]
According to the present embodiment, it is possible to prevent an increase in calculation time while reducing the amount of hardware of the multi-body problem calculation apparatus. The reason for this is that the processing for obtaining the virial of the entire system is divided into a part where the order of computational complexity is large but multiplication is not required, and a part where the order of computational complexity is small but multiplication is necessary, This is because the portion where the order of the amount is increased is calculated by the virial calculation unit 30 (hardware), and the portion where the order of the amount of calculation is decreased is calculated by the software execution unit 3 (software).
更に、本実施の形態では、力総和計算部29で求められた力の総和の各成分を順次選択する選択回路301を備えており、1つの加算器304を用いて複数の座標成分の計算を行うことができるので、更にハードウェア量を削減することができる。
Further, in the present embodiment, a selection circuit 301 that sequentially selects each component of the total force obtained by the total force calculation unit 29 is provided, and a plurality of coordinate components are calculated using one
〔本発明の第2の実施の形態〕
次に、本発明の第2の実施の形態について詳細に説明する。本実施の形態は、二体間相互作用計算回路を複数のパイプラインを用いて構成した場合においても、ハードウェアを削減できるようにしたことを特徴とする。
[Second Embodiment of the Present Invention]
Next, a second embodiment of the present invention will be described in detail. The present embodiment is characterized in that the hardware can be reduced even when the two-body interaction calculation circuit is configured using a plurality of pipelines.
図6を参照すると、本発明の第2の実施の形態にかかる多体問題計算装置1aは、二体間相互作用計算回路2、ソフトウェア実行部3および制御部4の代わりにそれぞれ二体間相互作用計算回路2a、ソフトウェア実行部3aおよび制御部4aを備えている点が、図3に示した第1の実施の形態と相違している。 Referring to FIG. 6, a multi-body problem calculating apparatus 1a according to the second embodiment of the present invention is a two-body mutual calculation instead of the two-body interaction calculation circuit 2, the software execution unit 3, and the control unit 4. The point which is provided with the action calculation circuit 2a, the software execution part 3a, and the control part 4a is different from 1st Embodiment shown in FIG.
二体間相互作用計算回路2aは、第1および第2のパイプライン2−1、2−2と、ビリアル計算部30aとから構成されている。 The two-body interaction calculation circuit 2a includes first and second pipelines 2-1 and 2-2, and a virial calculation unit 30a.
第1のパイプライン2−1は、ビリアル計算部を備えていない点を除いて図3に示した二体間相互作用計算回路2と同様の構成を有している。第2のパイプライン2−2は、第1のパイプライン2−1と同様の構成を有している。 The first pipeline 2-1 has the same configuration as the two-body interaction calculation circuit 2 shown in FIG. 3 except that the virial calculation unit is not provided. The second pipeline 2-2 has a configuration similar to that of the first pipeline 2-1.
制御部4aは、各パイプライン2−1、2−2内の中心粒子座標保持部21、基本セル情報保持部22および格子ベクトル保持部23にそれぞれ計算対象にする中心粒子iの座標ri(xi,yi,zi)、基本セルの大きさL(Lx,Ly,Lz)、計算対象にするイメージセルを示す格子ベクトルn(nx,ny,nz)を設定する点、および各パイプライン2−1、2−2内の座標差分計算部24に計算対象にする粒子jの座標rjn(xjn,yjn,zjn)を供給する点が、第1の実施の形態の制御部4と相違している。なお、制御部4aは、基本セル情報保持部22および格子ベクトル保持部23については、各パイプラインで共通の値を設定するが、中心粒子座標保持部21についてはパイプライン毎に異なる値を設定する。また、各パイプラインの座標差分計算部24には同じ値を供給する。
The control unit 4a controls the coordinates r i (center particle i to be calculated in the central particle coordinate holding
ソフトウェア実行部3aは、各パイプライン2−1、2−2内の力総和計算部29から粒子i毎の力の総和Fiを取得する点が、第1の実施の形態のソフトウェア実行部3と相違している。 The software execution unit 3a obtains the total force F i for each particle i from the force sum calculation unit 29 in each of the pipelines 2-1 and 2-2, and the software execution unit 3 according to the first embodiment. Is different.
図7を参照すると、本実施の形態のビリアル計算部30aは、選択回路301の代わりに選択回路301aを備えている点が、図4に示した第1の実施の形態のビリアル計算部30と相違している。 Referring to FIG. 7, the virial calculation unit 30a of the present embodiment includes a selection circuit 301a instead of the selection circuit 301. The virial calculation unit 30a of the first embodiment shown in FIG. It is different.
選択回路301aは、先ず、第1のパイプライン2−1内の力総和計算部29から入力されるセル単位の力の総和の各成分Σfxijn,Σfyijn,Σfzijnを順次選択し、次いで第2のパイプライン2−2内から入力される各成分Σfxijn,Σfyijn,Σfzijnを順次選択する点が、図4に示した第1の実施の形態における選択回路301と相違している。なお、選択回路301aは、選択回路302が或る1つの座標成分を選択する毎に上記した処理を行う。
The selection circuit 301a first sequentially selects each component Σf xijn , Σf yijn , and Σf zijn of the sum of forces in cell units input from the force sum calculation unit 29 in the first pipeline 2-1, and then The difference from the selection circuit 301 in the first embodiment shown in FIG. 4 is that the components Σf xijn , Σf yijn , and Σf zijn input from the second pipeline 2-2 are sequentially selected. The selection circuit 301a performs the above-described process every time the
〔第2の実施の形態の動作の説明〕
次に、本実施の形態の動作について、図5のフローチャートを参照して説明する。
[Description of Operation of Second Embodiment]
Next, the operation of the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
先ず、制御部4aが、基本セルの大きさL(Lx,Ly,Lz)を各パイプライン2−1、2−2内の基本セル情報保持部22に設定する(ステップS500)。次いで、制御部4aが、基本セルに含まれている粒子の中から、各パイプライン2−1、2−2において計算対象にする粒子をそれぞれ1つずつ選択し(パイプライン2−1用に粒子i1、パイプライン2−2用に粒子i2を選択したとする)、選択した各パイプライン用の粒子i1,i2の座標ri1(xi1,yi1,zi1),ri2(xi2,yi2,zi2)をそれぞれ各パイプライン2−1、2−2内の中心粒子座標保持部21に設定する(ステップS501)。その後、制御部4aは、イメージセルの内の1つを選択し、そのイメージセルを指し示す格子ベクトルn(nx,ny,nz)を、各パイプライン2−1、2−2内の格子ベクトル保持部23に設定する(ステップS502)。
First, the control unit 4a sets the size L (L x , L y , L z ) of the basic cell in the basic cell information holding unit 22 in each pipeline 2-1 and 2-2 (step S500). Next, the control unit 4a selects one particle to be calculated in each of the pipelines 2-1 and 2-2 from the particles included in the basic cell (for the pipeline 2-1). Particle i1, particle i2 selected for pipeline 2-2), coordinates r i1 (x i1 , y i1 , z i1 ), r i2 (x i2 ) of particles i1, i2 for each selected pipeline , Y i2 , z i2 ) are set in the central particle coordinate holding
その後、制御部4aは、ステップS502で選択したイメージセル中の粒子を1つ選択し、選択した粒子jnの座標rjn(xjn,yjn,zjn)を各パイプライン2−1、2−2内の座標差分計算部24に入力する(ステップS503)。 Thereafter, the control unit 4a selects one particle in the image cell selected in step S502, and sets the coordinates r jn (x jn , y jn , z jn ) of the selected particle jn to each pipeline 2-1, 2. -2 is input to the coordinate difference calculation unit 24 (step S503).
これにより、第1のパイプライン2−1では、力計算部28が粒子jnが粒子i1に及ぼす力fi1jnを計算し、力総和計算部29が上記力fi1jnを積算する(ステップS504、S505)。また、第2のパイプライン2−2では、力計算部28が粒子jnが粒子i2に及ぼす力fi2jnを計算し、力総和計算部29が上記力fi2jnを積算する(ステップS504、S505)。 Thereby, in the first pipeline 2-1, the force calculation unit 28 calculates the force f i1jn that the particle jn exerts on the particle i1, and the force sum calculation unit 29 accumulates the force f i1jn (steps S504 and S505). ). In the second pipeline 2-2, the force calculation unit 28 calculates the force f i2jn that the particle jn exerts on the particle i2, and the force sum calculation unit 29 accumulates the force f i2jn (steps S504 and S505). .
制御部4aは、ステップS502で選択したイメージセル内の全ての粒子jnを選択するまで(ステップS506がYとなるまで)、上記イメージセル内の粒子jnの座標rjnを順次各パイプライン2−1、2−2内の座標差分計算部24に出力する。そして、上記イメージセル内の全ての粒子jnを選択すると、制御部4aは、ビリアル計算部30aに対してビリアルの計算を行うことを指示する(ステップS507)。このとき、第1のパイプライン2−1内の力総和計算部29からは、ステップS502で選択したイメージセル内の粒子jnが粒子i1に及ぼす力の総和Σfi1jnの各座標成分が出力され、第2のパイプライン2−2内の力総和計算部29からは、ステップS502で選択したイメージセル内の粒子jnが粒子i2に及ぼす力の総和Σfi2jnの各座標成分が出力されている。また、格子ベクトル遅延部31からは、ステップS502で選択したイメージセルを指し示す格子ベクトルn=(nx,ny,nz)が出力されている。
The controller 4a sequentially selects the coordinates r jn of the particles jn in the image cell in order to select all the particles jn in the image cell selected in step S502 (until Y in step S506). It outputs to the coordinate difference calculation part 24 in 1 and 2-2. When all the particles jn in the image cell are selected, the control unit 4a instructs the virial calculation unit 30a to perform virial calculation (step S507). At this time, each coordinate component of the total force Σf i1jn of the force that the particle jn in the image cell selected in step S502 exerts on the particle i1 is output from the force sum calculation unit 29 in the first pipeline 2-1. From the force total calculation unit 29 in the second pipeline 2-2, each coordinate component of the total force Σf i2jn of the force exerted on the particle i2 by the particle jn in the image cell selected in step S502 is output. The lattice
ビリアル計算部30aでは、上記指示を受けると、先ず、選択回路302が格子ベクトルn=(nx,ny,nz)のx座標成分nxを選択し、選択回路301aが第1のパイプライン2−1内の力総和計算部29から出力されている力の総和Σfi1jnのx,y,z座標成分および第2のパイプライン2−2内の力総和計算部29から出力されている力の総和Σfi2jnのx,y,z座標成分を順次選択し、選択回路306がビリアル保持回路305に保持されているビリアルのXX,YX,ZX,XX,YX,ZX成分を順次選択する。加減算制御回路303は、選択回路302から出力されているnxの値に応じて、選択回路301aから出力されている力の総和Σfi1jnのx,y,z座標成分、力の総和Σfi2jnのx,y,z座標成分をそのまま、或いは符号反転して、或いは値を0にして出力する。加算器304は、加減算制御回路303から順次出力される力の総和Σfi1jnのx,y,z座標成分に関する値、力の総和Σfi2jnのx,y,z座標成分に関する値と、選択回路306から順次出力されるビリアルのXX,YX,ZX,XX,YX,ZX成分とを加算し、加算結果をビリアル保持回路305に再び格納する。
The virial calculation unit 30a, when receiving the instruction, first selects the x-coordinate component n x of =
その後、選択回路302が格子ベクトルnのy座標成分nyを選択し、選択回路301が力の総和Σfi1jnのx,y,z座標成分、力の総和Σfi2jnのx,y,z座標成分を順次選択し、選択回路306がビリアルのXY,YY,ZY,XY,YY,ZY成分を順次選択する。これにより、加算器304によりビリアル保持回路305に保持されているビリアルのXY,YY,ZY成分が更新される。
Thereafter, the
そして、最後に、選択回路302が格子ベクトルnのz座標成分nzを選択し、選択回路301が力の総和Σfi1jnのx,y,z座標成分、力の総和Σfi2jnのx,y,z座標成分を順次選択し、選択回路306がビリアルのXZ,YZ,ZZ,XZ,YZ,ZZ成分を順次選択する。これにより、加算器304によりビリアル保持回路305に保持されているビリアルのXZ,YZ,ZZ成分が更新される(ステップS508)。
And, finally, select the z coordinate components n z of the
その後、制御部4aは、系内の全てのイメージセルについてビリアルの計算が完了したか否か判定する(ステップS509)。全てのイメージセルについてのビリアルの計算が完了していなければ、制御部4は、ステップS502に戻って次のイメージセルを選択する。これに対して、全てのイメージセルについてのビリアルの計算が完了していれば、基本セル内の全ての粒子iについてのビリアルの計算が完了しているか否か判定する(ステップS510)。 Thereafter, the control unit 4a determines whether or not the virial calculation has been completed for all the image cells in the system (step S509). If the virial calculation has not been completed for all the image cells, the control unit 4 returns to step S502 and selects the next image cell. On the other hand, if the calculation of virials for all the image cells is completed, it is determined whether the calculation of virials for all the particles i in the basic cell is completed (step S510).
そして、基本セル内の全ての粒子iについてのビリアルの計算が完了していなければ、制御部4は、ステップS501に戻って各パイプライン2−1、2−2毎に次の粒子iを選択する。これに対して、全ての粒子iについてのビリアルの計算が完了していれば、制御部4は、二体間相互作用計算回路2a(ハードウェア)を利用した計算を終了し、ソフトウェア実行部3aを起動する(ステップS511)。 If the calculation of virials for all the particles i in the basic cell is not completed, the control unit 4 returns to step S501 and selects the next particle i for each of the pipelines 2-1 and 2-2. To do. On the other hand, if the calculation of virials for all the particles i has been completed, the control unit 4 ends the calculation using the two-body interaction calculation circuit 2a (hardware), and the software execution unit 3a. Is activated (step S511).
これにより、ソフトウェア実行部3aは、ビリアル計算部30a内のビリアル保持回路305に保持されているビリアルの各成分ΣΣnxΣfxijn ,ΣΣnyΣfyijn ,ΣΣnzΣfzijn ,ΣΣnyΣfxijn ,ΣΣnzΣfyijn ,ΣΣnxΣfzijn ,ΣΣnxΣfyijn ,ΣΣnyΣfzijn ,ΣΣnzΣfxijnを取得すると共に、各パイプライン2−1、2−2内の力総和計算部29から粒子i毎の力の総和Fiを取得する(ステップS512)。 Thus, the software execution section 3a virial calculator 30a in virial hold circuit 305 to hold has been that the components ΣΣn x Σf xijn virial, ΣΣn y Σf yijn, ΣΣn z Σf zijn, ΣΣn y Σf xijn, ΣΣn z Σf yijn , ΣΣn x Σf zijn , ΣΣn x Σf yijn , ΣΣny y Σf zijn , ΣΣn z Σf xijn are obtained, and the force for each particle i from the force sum calculation unit 29 in each of the pipelines 2-1 and 2-2. get the total F i (step S512).
その後、ソフトウェア実行部3aは、ステップS512で取得したビリアルと力の総和とに基づいて系全体のビリアルを計算する(ステップS513)。 Thereafter, the software execution unit 3a calculates the virial of the entire system based on the virial acquired in step S512 and the total force (step S513).
〔第2の実施の形態の効果〕
本実施の形態によれば、二体間相互作用計算回路2aを複数のパイプライン2−1、2−2を用いて構成した場合においても、ハードウェアを削減できるという効果を得ることができる。その理由は、各パイプライン2−1、2−2内の力総和計算部29で求められた力の総和の各成分を順次選択する選択回路301aを備えており、1つの加算器304を複数のパイプライン2−1、2−2で共用できるようにしているからである。
[Effects of Second Embodiment]
According to the present embodiment, even when the two-body interaction calculation circuit 2a is configured using a plurality of pipelines 2-1, 2-2, an effect that hardware can be reduced can be obtained. The reason is that it includes a selection circuit 301a that sequentially selects each component of the sum of the forces obtained by the force sum calculation unit 29 in each of the pipelines 2-1 and 2-2, and includes a plurality of
本発明は、創薬研究分野において、タンパク質の構造解析や機能解析という用途や、タンパク質と化合物の結合性の評価といった用途に利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in the field of drug discovery research for applications such as protein structural analysis and functional analysis, and for evaluation of protein-compound binding properties.
1、1a…多体問題計算装置
21…中心粒子座標保持部
22…基本セル情報保持部
23…格子ベクトル保持部
24…座標差分計算部
25…座標差分遅延部
26…距離二乗計算部
27…関数計算部
28…力計算部
29…力総和計算部
291…力保持回路
30、30a…ビリアル計算部
301、301a、302、306…選択回路
303…加減算制御回路
304…加算器
305…ビリアル保持回路
31…格子ベクトル遅延部
2、2a…二体間相互作用計算回路
3、3a…ソフトウェア実行部
4、4a…制御部
DESCRIPTION OF
Claims (10)
該力総和計算部においてイメージセル単位の力の総和が求められる毎に、その力の総和の各座標成分を順次選択する選択回路と、
前記力総和計算部において処理単位にされているイメージセルと前記基本セルとの位置関係に基づいて、前記選択回路で選択された力の総和の座標成分をそのまま出力するか、符号を反転して出力するか、或いは出力を0とする加減算制御回路と、
ビリアルの成分毎の加算結果が保持される保持回路と、
前記加減算制御回路の出力と、前記保持回路に保持されている加算結果の内の、前記加減算制御回路の出力に対応する成分の加算結果とを加算し、加算結果を前記保持回路に格納する加算器と、
ビリアルの成分毎に、前記基本セル内の粒子の粒子座標と前記力総和計算部に保持されている前記基本セル内の粒子に働く力の総和とを用いて、その成分についての力の総和と粒子座標との積和を求める第1の処理と、前記保持回路に保持されているその成分についての加算結果と定数とを乗算する第2の処理と、前記第1の処理で求めた積和結果と前記第2の処理で求めた乗算結果との差分を求める第3の処理とを行うためのソフトウェアを実行するソフトウェア実行部とを備えることを特徴とする多体問題計算装置。 One of the particles in the basic cell in the system to which the periodic boundary condition is applied is selected as a calculation target particle, and the image cells of the periodic boundary condition are sequentially set as processing units, and the particles in the image cell are the calculation target. The process of obtaining the sum of the forces acting on the particles is repeated until all the particles in the basic cell are selected as calculation target particles, and the sum of the forces acting on the particles for each particle in the basic cell is calculated. A total force calculation unit to find and hold;
A selection circuit that sequentially selects each coordinate component of the sum of forces each time the sum of forces in an image cell is obtained in the force sum calculator;
Based on the positional relationship between the image cell and the basic cell, which is a processing unit in the force sum calculation unit, the coordinate component of the sum of the forces selected by the selection circuit is output as it is, or the sign is inverted. An addition / subtraction control circuit for outputting or setting the output to 0;
A holding circuit that holds the addition result for each component of the virial; and
An addition for adding the output of the addition / subtraction control circuit and the addition result of the component corresponding to the output of the addition / subtraction control circuit among the addition results held in the holding circuit and storing the addition result in the holding circuit And
For each virial component, using the particle coordinates of the particles in the basic cell and the sum of the forces acting on the particles in the basic cell held in the force sum calculation unit, A first process for obtaining a product sum with the particle coordinates, a second process for multiplying the addition result of the component held in the holding circuit by a constant, and a product sum obtained by the first process. A multi-body problem calculation apparatus comprising: a software execution unit that executes software for performing a third process for obtaining a difference between a result and a multiplication result obtained in the second process.
並行して動作する複数の力総和計算部を備え、
前記選択回路は、前記複数の力総和計算部で計算された力の総和の各座標成分を順次選択することを特徴とする多体問題計算装置。 The multi-body problem calculation apparatus according to claim 1,
A plurality of force summation calculators operating in parallel
The multi-body problem calculation apparatus, wherein the selection circuit sequentially selects each coordinate component of the total force calculated by the plurality of force total calculation units.
前記複数の力総和計算部は、計算対象粒子としてそれぞれ異なる粒子を選択し、処理単位とするイメージセルとして同一のイメージセルを選択することを特徴とする多体問題計算装置。 In the multibody problem calculation apparatus according to claim 2,
The plurality of force sum calculation units select different particles as calculation target particles, and select the same image cell as an image cell as a processing unit.
前記力総和計算部が処理単位にしているイメージセルを示す格子ベクトルが格納される格子ベクトル保持部を備え、
前記加減算制御回路は、前記格子ベクトル保持部に保持されている格子ベクトルに基づいて、前記力総和計算部において処理単位にしているイメージセルと前記基本セルとの位置関係を判定することを特徴とする多体問題計算装置。 In the multibody problem calculation apparatus according to claim 1 or 3,
A lattice vector holding unit in which a lattice vector indicating an image cell which is the processing unit of the force summation calculation unit is stored;
The addition / subtraction control circuit determines a positional relationship between an image cell and a basic cell as a processing unit in the force sum calculation unit based on a lattice vector held in the lattice vector holding unit. Multi-body problem calculator.
前記加減算制御回路は、前記格子ベクトル保持部に保持されている格子ベクトルの各座標成分の内、前記選択回路で選択されている力の総和の座標成分と同じ座標成分が正の場合は、前記選択回路で選択された力の総和の座標成分をそのまま出力し、負の場合は符号を反転して出力し、0の場合は出力を0とすることを特徴とする多体問題計算装置。 In the many-body problem calculation device according to claim 4,
The addition / subtraction control circuit, when each coordinate component of the lattice vector held in the lattice vector holding unit is the same as the coordinate component of the sum of forces selected by the selection circuit is positive, A multi-body problem calculation apparatus characterized in that the coordinate component of the sum of the forces selected by the selection circuit is output as it is, the sign is inverted when it is negative, and the output is 0 when it is 0.
前記第2の処理において用いる定数は、前記基本セルの辺の長さの1/2の値であることを特徴とする多体問題計算装置。 In the multibody problem calculation device according to any one of claims 1 to 5,
A constant used in the second process is a half-body value of a side length of the basic cell.
周期的境界条件を適用する系における基本セル内の粒子の1つを計算対象粒子として選択し、前記周期的境界条件のイメージセルを順次処理単位にして、そのイメージセル内の粒子が前記計算対象粒子に対して及ぼす力の総和を求めるという処理を、前記基本セル内の全ての粒子を計算対象粒子として選択するまで繰り返し行うと共に、前記基本セル内の粒子毎にその粒子に働く力の総和を求めて保持する力総和計算部と、
該力総和計算部においてイメージセル単位の力の総和が求められる毎に、その力の総和の各座標成分を順次選択する選択回路と、
前記力総和計算部において処理単位にされているイメージセルと前記基本セルとの位置関係に基づいて、前記選択回路で選択された力の総和の座標成分をそのまま出力するか、符号を反転して出力するか、或いは出力を0とする加減算制御回路と、
ビリアルの成分毎の加算結果が保持される保持回路と、
前記加減算制御回路の出力と、前記保持回路に保持されている加算結果の内の、前記加減算制御回路の出力に対応する成分の加算結果とを加算し、加算結果を前記保持回路に格納する加算器とを備えることを特徴とする二体間相互作用計算回路。 A two-body interaction calculation circuit that is a component of a multi-body problem calculation device,
One of the particles in the basic cell in the system to which the periodic boundary condition is applied is selected as a calculation target particle, and the image cells of the periodic boundary condition are sequentially set as processing units, and the particles in the image cell are the calculation target. The process of obtaining the sum of the forces acting on the particles is repeated until all the particles in the basic cell are selected as calculation target particles, and the sum of the forces acting on the particles for each particle in the basic cell is calculated. A total force calculation unit to find and hold;
A selection circuit that sequentially selects each coordinate component of the sum of forces each time the sum of forces in an image cell is obtained in the force sum calculator;
Based on the positional relationship between the image cell and the basic cell, which is a processing unit in the force sum calculation unit, the coordinate component of the sum of the forces selected by the selection circuit is output as it is, or the sign is inverted. An addition / subtraction control circuit for outputting or setting the output to 0;
A holding circuit that holds the addition result for each component of the virial; and
An addition for adding the output of the addition / subtraction control circuit and the addition result of the component corresponding to the output of the addition / subtraction control circuit among the addition results held in the holding circuit and storing the addition result in the holding circuit And a two-body interaction calculation circuit.
並行して動作する複数の力総和計算部を備え、
前記選択回路は、前記複数の力総和計算部で計算された力の総和の各座標成分を順次選択することを特徴とする二体間相互作用計算回路。 The two-body interaction calculation circuit according to claim 7,
A plurality of force summation calculators operating in parallel
The two-body interaction calculation circuit, wherein the selection circuit sequentially selects coordinate components of the total force calculated by the plurality of force total calculation units.
選択回路が、該力総和計算部においてイメージセル単位の力の総和が求められる毎に、その力の総和の各座標成分を順次選択し、
加減算制御回路が、前記力総和計算部において処理単位にされているイメージセルと前記基本セルとの位置関係に基づいて、前記選択回路で選択された力の総和の座標成分をそのまま出力するか、符号を反転して出力するか、或いは出力を0とし、
加算器が、前記加減算制御回路の出力と、保持回路に保持されているビリアルの各成分についての加算結果の内の、前記加減算制御回路の出力に対応する成分の加算結果とを加算し、加算結果を前記保持回路に格納し、
ソフトウェア実行部が、ビリアルの成分毎に、前記基本セル内の粒子の粒子座標と前記力総和計算部に保持されている前記基本セル内の粒子に働く力の総和とを用いて、その成分についての力の総和と粒子座標との積和を求める第1の処理と、前記保持回路に保持されているその成分についての加算結果と定数とを乗算する第2の処理と、前記第1の処理で求めた積和結果と前記第2の処理で求めた乗算結果との差分を求める第3の処理とを行うためのソフトウェアを実行することを特徴とする多体問題計算方法。 The force summation calculation unit selects one of the particles in the basic cell in the system to which the periodic boundary condition is applied as a calculation target particle, and sequentially sets the image cell of the periodic boundary condition as a processing unit. The process of obtaining the sum of the forces exerted by the particles on the calculation target particles is repeated until all the particles in the basic cell are selected as calculation target particles, and for each particle in the basic cell, the particle To find and hold the sum of the forces
Each time the selection circuit calculates the total force of the image cell unit in the force total calculation unit, it sequentially selects each coordinate component of the total force,
The addition / subtraction control circuit outputs, as it is, the coordinate component of the sum of the forces selected by the selection circuit based on the positional relationship between the image cells and the basic cells that are processing units in the force sum calculation unit, Invert the sign to output, or set the output to 0,
An adder adds the output of the addition / subtraction control circuit and the addition result of the component corresponding to the output of the addition / subtraction control circuit among the addition results for each virial component held in the holding circuit, and adds Storing the result in the holding circuit;
For each component of the virial component, the software execution unit uses the particle coordinates of the particles in the basic cell and the sum of the forces acting on the particles in the basic cell held in the force sum calculation unit. A first process for obtaining the sum of products of the total force and the particle coordinates, a second process for multiplying the addition result for the component held in the holding circuit and a constant, and the first process A multi-body problem calculation method, comprising: executing software for performing a third process for obtaining a difference between the product-sum result obtained in step 2 and the multiplication result obtained in the second process.
複数の力総和計算部が並行して動作し、
前記選択回路が、前記複数の力総和計算部で計算された力の総和の各座標成分を順次選択することを特徴とする多体問題計算方法。 In the many-body problem calculation method according to claim 9,
Multiple force summation calculators work in parallel,
The multi-body problem calculation method, wherein the selection circuit sequentially selects coordinate components of the total force calculated by the plurality of total force calculation units.
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