【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
1、本专利技术涉及多体模拟，更具体地涉及用于分子动力学模拟的设备的电路实现。
技术实现思路
1、在以下美国专利中描述了用于多体模拟的设备的电路实现和操作过程的许多示例，这些专利通过引用并入本文：标题为“orthogonal method”的美国专利7,707,016、标题为“grid based computation for multiple body simulation”的美国专利7,526,415和标题为“approaches and architectures for computation of particle interactions”的美国专利8,126,956。
2、本文描述了可以与先前描述的方法结合使用的许多方面，例如，用本文呈现的方面替换子系统的实现或修改子系统。
3、在许多实现中，用于多体模拟的设备模拟包括多个粒子的物理体积。在分子动力学模拟的背景下，粒子包括原子，该原子的群可以形成分子。
4、设备包括多个互连处理节点，这些互连处理节点可以布置成三维阵列。在设备的许多使用中，在处理节点和物理体积的正被模拟的物理区域之间存在一对一的关联。实施例包括物理区域是立方体的实施例、物理区域是长方体的实施例、以及物理区域以与处理节点相同的相邻关系布置的实施例。在至少一些实现中，处理节点具有到其直接的邻居的通信路径。这些路径形成环形。
5、如在先前的专利中描述的，具体粒子的数据存储在与该粒子的物理位置相关联的处
6、可以单独使用或彼此组合使用的下面提及的许多新特征为在基于电路的系统中准确地模拟物理系统的实际问题提供了技术改进。
7、一个改进是减少了给定模拟所消耗的能量的总量。这种能量的减少使得能够实现更快和/或更小的系统。
8、另一改进是减少了模拟物理系统所需的时间，这不仅仅是由于使用更快的电路或通用处理器，而且是由于可以更好地使用可用电路的计算和节点间通信的特定布置，例如，通过引入处理元件的特定组合、布置通信和计算方面以减少延迟从而减少各模拟周期所需的时间，以及更有效地使用处理器之间的通信链路。
9、本文描述的所有实现和方法都是非抽象的，并且提供技术效果。如本文所用，申请人作为其自己的词典编纂者，在此将“非抽象”定义为“抽象”的反义词，因为该术语已由联邦巡回法院和最高法院在本申请提交日定义。因此，将权利要求解释为抽象的任何人将是以直接违背说明书的方式解释权利要求。
10、在一个方面，专利技术的特征在于一种用于使一对原子中的两个原子相互作用的混合方法。根据该方法，一个或多于一个计算节点的集合用于使一对原子相互作用。通过平衡必须在集合内的通信节点之间通信关于原子的数据的成本和与计算相互作用相关联的计算复杂性来选择集合。
11、如本文所使用的，动词“相互作用”应指执行估计由两个原子之间的相互作用而产生的这两个原子的状态变化(如位置、动量、电荷等)所需的计算。在本专利技术中，术语“原子”和“粒子”应互换使用。
12、如本文所使用的，术语“原子”不一定意指具有电子随从的原子核。在分子动力学的背景下，“原子”以其原始意义使用，被视为模拟期间的不可分割单位。因此，“原子”可以是原子核、原子核和一个或多于一个电子、键合在一起的多个原子核(例如分子)、或作为大得多的分子的一部分的官能团。
13、在分子动力学模拟器中，两个原子的相互作用需要关于这两个原子的信息。该信息必须在将执行相互作用的任何计算节点处可用。特定的计算节点具有关于一些但不是所有原子的信息。如果节点已经具有与一对原子的全部两个原子相关联的信息，则没有与发送这种信息相关联的通信成本。另一方面，如果节点不具有关于其中一个原子的信息，则结果导致了通信成本。在某些情况下，节点不具有关于任何一个原子的信息。这导致更大的通信成本。
14、本文描述的实现在具有较高通信成本以及较低计算复杂性的第一方法和具有较低通信成本以及较高计算复杂性的第二方法之间进行选择。在目前的情况下，第一方法是曼哈顿(manhattan)法，第二方法是全壳(full shell)法。对于各相互作用，模拟器权衡第一方法增加的通信成本和第二方法较高的计算成本，并且选择为各相互作用提供更好性能的计算节点集合。
15、当与现有的中立区域(neutral territory)法(例如在美国专利us7,707,016中描述的方法)相比时，曼哈顿法通常由于在节点之间具有更小的导入量和在节点之间具有更好的计算平衡而改进了性能。曼哈顿法计算与节点中的包含在物理空间中离节点间边界最远的粒子的节点有关的相互作用。然后，将共享结果返回给另一节点。
16、全壳法在计算上比上述任何一方法都要复杂得多。然而，也需要少得多的通信。由于相互作用是在两个原子的主节点处计算的且因此相互作用不返回到配对的节点，因此产生了通信方面的这种节省。
17、在另一方面，设备包括在处理节点处用于评估粒子之间逐对的相互作用的电路。
18、计算一对粒子之间的相互作用可能取决于粒子的分离而有不同的要求。例如，彼此距离较远的粒子可能需要较少的计算，这是因为相互作用不如在这些粒子彼此距离较近的情况下复杂。相互作用的特性的幅值可能较小。所计算的相互作用的特性可能较小。
19、为了适应这一点，具有用于计算逐对的相互作用的多种类型的处理元件是有用的，其中根据粒子的分离来选择处理元件的类型。
20、作为示例，在分子动力学的模拟中，非键合粒子在彼此靠近时比更远离时具有更复杂的行为。近和远是由围绕点粒子的球体的截止半径定义的。由于分布在液体中的粒子的接近均匀的密度和截止范围，因此远区域中的粒子通常是近区域中的粒子的三倍。设备通过将彼此靠近的粒子对引导向能够执行更复杂处理的大相互作用模块来利用这一点。相反，彼此远离的粒子对被引导向小相互作用模块，该小相互作用模块执行较低精度的计算，并忽略仅当粒子彼此足够靠近时才重要的某些现象。
21、使用“大”和“小”是恰当的，因为大相互作用模块物理上尺寸更大。大相互作用模块比小相互作用模块消耗更多的芯片面积，并且每次相互作用还消耗更多的能量。处理节点可以具有比“大”处理元件数量更多的“小”处理元件，以适应模拟体积中粒子的空间分布。
22、各集成电路的总面积的一部分容纳形成计算流水线的相互作用电路。该相互作用电路执行前述相互作用。
23、与通用计算机不同，计算流水线是最小可配置的硬件模块，仅具有有限的功能。然而，无论计算流水线做什么，都做得很好。相互作用电路执行相互作用所消耗的能量远低于通用计算机针对相同的相互作用所消耗的能量。可以被看作逐对粒子相互作用模块的这种相互作用电路是集成电路的真正主力。
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1.一种包括计算节点和连接所述计算节点的通信链路的设备，其中，针对各原子对存在参与所述原子的相互作用的一个或多于一个计算节点的集合，其中，针对对所述一个或多于一个计算节点的集合的各选择，存在由执行所述相互作用产生的计算负担和由计算节点之间的通信产生的通信负担，其中，针对各原子对，被选择用于所述原子的相互作用的集成电路是使考虑到所述通信负担和所述计算负担的聚合成本最小化的集成电路。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述节点是存储不关于所述原子对中任何原子的信息的节点。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述一个或多于一个节点的集合包括存储有关于来自所述原子对中最多一个原子的信息的节点。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述一个或多于一个节点的集合是通过权衡与曼哈顿法相关联的增加的联网成本和与全壳法相关联的更高的计算成本来选择的。
5.一种用于分子模拟的设备，该设备使用通过网络链路连接到具有节点的环形网络的集成电路，各节点是所述集成电路之一，其中，所述集成电路各自包括被配置为估计化学系统中原子之间的力的核心区块、使所述核心区块
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述第二相互作用模块是多个相同的第二相互作用模块之一。
7.根据权利要求5所述的设备，其中，所述第二相互作用模块是三个第二相互作用模块之一，针对各所述第一相互作用模块存在所述第二相互作用模块中的三个第二相互作用模块。
8.根据权利要求5所述的设备，其中，所述第二相互作用模块是多个相同的第二相互作用模块之一，所述第二相互作用模块的数量已经由随着所述阈值的降低而增加所述数量的规则来确定。
9.根据权利要求5所述的设备，其中，所述第一相互作用模块被配置为基于静电效应和量子效应这两者来估计所述力，并且其中，所述第二相互作用模块被配置为在估计所述力时忽略所述量子效应。
10.根据权利要求5所述的设备，其中，所述第一相互作用模块比所述第二相互作用模块在所述集成电路上消耗更多的面积。
11.根据权利要求5所述的设备，其中，所述第一相互作用模块比所述第二相互作用模块针对每次相互作用计算消耗更多的能量。
12.根据权利要求5所述的设备，其中，所述匹配电路包括第一级和第二级，所述第一级和所述第二级都将所述阈值与一对原子中的原子之间的原子间距离进行比较，所述第二级执行比所述第一级更准确的原子间距离的确定，其中，在将所述阈值与原子对的集合中的原子之间的原子间距离进行比较之后，所述第一级将所述对转发到所述第二级，所述第二级然后比所述第一级更准确地确定所述原子间距离。
13.根据权利要求5所述的设备，其中，所述匹配电路被配置为通过将所述阈值与原子对的集合中的原子之间的原子间距离进行比较来消耗能量的第一量；将所述集合划分为第一子集和第二子集；丢弃所述第一子集中的对；并转发所述第二子集中的对以供执行所述阈值与所述第二子集中的原子之间的原子间距离之间的第二比较，所述第二比较比所述第一比较消耗更多的能量。
14.根据权利要求5所述的设备，其中，各个原子利用基于所述原子的性质的类型索引而被分类，其中，所述集成电路包括存储有第一信息和第二信息的第一区域和第二区域，所述第一信息将相互作用索引与所述类型索引相关联，并且所述第二区域将力估计方法与所述相互作用索引相关联。
15.根据权利要求5所述的设备，其中，各个原子利用基于所述原子的性质的类型索引而被分类，所述集成电路上的半导体基板的区域已经被预留用于存储双级表，其中，所述双级表的第一级将相互作用索引与所述类型索引相关联，并且所述双级表的第二级存储将所述相互作用索引与多个相互作用类型之一相关联的信息。
16.根据权利要求5所述的设备，其中，所述集成电路的基板的一部分包括形成在其上的几何核心，所述几何核心与所述相互作用电路通信、并且被配置为支...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种包括计算节点和连接所述计算节点的通信链路的设备，其中，针对各原子对存在参与所述原子的相互作用的一个或多于一个计算节点的集合，其中，针对对所述一个或多于一个计算节点的集合的各选择，存在由执行所述相互作用产生的计算负担和由计算节点之间的通信产生的通信负担，其中，针对各原子对，被选择用于所述原子的相互作用的集成电路是使考虑到所述通信负担和所述计算负担的聚合成本最小化的集成电路。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述节点是存储不关于所述原子对中任何原子的信息的节点。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述一个或多于一个节点的集合包括存储有关于来自所述原子对中最多一个原子的信息的节点。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述一个或多于一个节点的集合是通过权衡与曼哈顿法相关联的增加的联网成本和与全壳法相关联的更高的计算成本来选择的。
5.一种用于分子模拟的设备，该设备使用通过网络链路连接到具有节点的环形网络的集成电路，各节点是所述集成电路之一，其中，所述集成电路各自包括被配置为估计化学系统中原子之间的力的核心区块、使所述核心区块互连的网状网络、以及管理使用所述网状网络的核心区块之间的移动通信的边缘区块，并且所述边缘区块连接到所述网络链路以管理与另一集成电路的通信，所述设备在各所述核心区块中包括相互作用电路，所述相互作用电路接收表示流式传输的原子的信息流并且存储表示被存储原子的信息，所述相互作用电路包括第一相互作用模块、第二相互作用模块和匹配电路，所述第一相互作用模块和所述第二相互作用模块在计算复杂性上不同，其中，所述第一相互作用模块执行比所述第二相互作用模块更复杂的计算，所述匹配电路被配置为：比较一对原子之间的原子间距离，并且在所述原子间距离小于阈值时使得利用所述第一相互作用模块来估计所述原子之间的所述力，否则使用所述第二相互作用模块来估计所述原子之间的所述力。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述第二相互作用模块是多个相同的第二相互作用模块之一。
7.根据权利要求5所述的设备，其中，所述第二相互作用模块是三个第二相互作用模块之一，针对各所述第一相互作用模块存在所述第二相互作用模块中的三个第二相互作用模块。
8.根据权利要求5所述的设备，其中，所述第二相互作用模块是多个相同的第二相互作用模块之一，所述第二相互作用模块的数量已经由随着所述阈值的降低而增加所述数量的规则来确定。
9.根据权利要求5所述的设备，其中，所述第一相互作用模块被配置为基于静电效应和量子效应这两者来估计所述力，并且其中，所述第二相互作用模块被配置为在估计所述力时忽略所述量子效应。
10.根据权利要求5所述的设备，其中，所述第一相互作用模块比所述第二相互作用模块在所述集成电路上消耗更多的面积。
11.根据权利要求5所述的设备，其中，所述第一相互作用模块比所述第二相互作用模块针对每次相互作用计算消耗更多的能量。
12.根据权利要求5所述的设备，其中，所述匹配电路包括第一级和第二级，所述第一级和所述第二级都将所述阈值与一对原子中的原子之间的原子间距离进行比较，所述第二级执行比所述第一级更准确的原子间距离的确定，其中，在将所述阈值与原子对的集合中的原子之间的原子间距离进行比较之后，所述第一级将所述对转发到所述第二级，所述第二级然后比所述第一级更准确地确定所述原子间距离。
13.根据权利要求5所述的设备，其中，所述匹配电路被配置为通过将所述阈值与原子对的集合中的原子之间的原子间距离进行比较来消耗能量的第一量；将所述集合划分为第一子集和第二子集；丢弃所述第一子集中的对；并转发所述第二子集中的对以供执行所述阈值与所述第二子集中的原子之间的原子间距离之间的第二比较，所述第二比较比所述第一比较消耗更多的能量。
14.根据权利要求5所述的设备，其中，各个原子利用基于所述原子的性质的类型索引而被分类，其中，所述集成电路包括存储有第一信息和第二信息的第一区域和第二区域，所述第一信息将相互作用索引与所述类型索引相关联，并且所述第二区域将力估计方法与所述相互作用索引相关联。
15.根据权利要求5所述的设备，其中，各个原子利用基于所述原子的性质的类型索引而被分类，所述集成电路上的半导体基板的区域已经被预留用于存储双级表，其中，所述双级表的第一级将相互作用索引与所述类型索引相关联，并且所述双级表的第二级存储将所述相互作用索引与多个相互作用类型之一相关联的信息。
16.根据权利要求5所述的设备，其中，所述集成电路的基板的一部分包括形成在其上的几何核心，所述几何核心与所述相互作用电路通信、并且被配置为支持所述相互作用电路不支持的原子之间的相互作用，所述相互作用电路被配置为将所述相互...
【专利技术属性】
技术研发人员：B·巴特森，B·L·格莱斯卡姆普，B·爱德华兹，J·A·巴茨，C·H·芬东，J·P·格罗斯曼，D·J·埃拉尔迪，A·勒雷，B·P·托尔斯，M·E·波道夫，C·普利狄思库，J·K·赛尔门，A·G·托布，
申请(专利权)人：D·E·萧尔研究有限责任公司，
类型：发明
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