Extending fast multipole method in exascale molecular dynamics for non-cubic simulation boxes / Proširenje brze višepolne metode u eksaskalarnoj molekulskoj dinamici za nekockaste simulacijske kutije

My research paper titled Extending fast multipole method in exascale molecular dynamics for non-cubic simulation boxes / Proširenje brze višepolne metode u eksaskalarnoj molekulskoj dinamici za nekockaste simulacijske kutije, authored by Matea Turalija Reščić from Group for Applications and Services on Exascale Research Infrastructure / Grupa za aplikacije i usluge na eksaskalarnoj istraživačkoj infrastrukturi (GASERI), has been published in Vol. 13 No. 1 of Journal of the Polytechnic of Rijeka / Zbornik Veleučilišta u Rijeci.

Ovaj rad je posvećen uspomeni na izv. prof. dr. sc. Željka Svedružića koji nas je napustio 20. travnja 2023. godine. Zahvaljujući njegovom entuzijazmu i radu za života, simulacija molekulske dinamike je i danas aktivno područje istraživanja na Sveučilištu u Rijeci.

Abstract / Sažetak

Over the past decade, computer simulations have become an indispensable tool for studying and predicting physical and chemical processes. In particular, molecular dynamics simulations play an important role in the study of biological systems such as proteins, membranes, and nucleic acids. The increasing complexity of these simulations requires a large amount of computing resources and the development of new, more advanced methods. Today, we can study complex systems involving millions of atoms and solve problems in many scientific fields. In addition, there is hope for a better understanding and discovery of new drugs for many diseases such as viral infections or autoimmunity. In this paper, the application of the fast multipole method to molecular dynamics simulations in non-cubic simulation boxes is analyzed. The results show that this method is effective for cubic and slightly non-cubic boxes with a small number of particles, while larger deviations in the calculated energies from the reference ones occur for a larger number of particles and for more pronounced non-cubic boxes. In order to reduce the error in energy calculation, a correction factor was introduced depending on the volume of the box and the number of particles, which achieved a noticeable improvement in the precision of the method in terms of calculated energy.

Tijekom posljednjeg desetljeća, računalne simulacije postale su neizostavan alat za proučavanje i predviđanje fizikalnih i kemijskih procesa. Posebice, simulacije molekulske dinamike koje igraju važnu ulogu u istraživanju bioloških sustava poput proteina, membrana i nukleinskih kiselina. Rastuća složenost ovih simulacija zahtijeva veliku količinu računalnih resursa i razvoj novih naprednijih metoda. Danas možemo proučavati složene sustave koji uključuju milijune atoma i rješavati probleme u mnogim znanstvenim područjima. Uz to, postoji nada za bolje razumijevanje i otkrivanje novih lijekova za mnoge bolesti kao što su virusne infekcije ili autoimunost. U ovom radu analizirana je primjena brze višepolne metode na simulacije molekulske dinamike u nekockastim simulacijskim kutijama. Rezultati pokazuju da je ta metoda učinkovita za kockaste i blago nekockaste kutije s malim brojem čestica, dok veća odstupanja u izračunatim energijama od referentnih nastaju kod većeg broja čestica i kod izraženijih nekockastih kutija. Kako bi se smanjila pogreška kod izračuna energije, uveden je korekcijski faktor ovisno o volumenu kutije i broju čestica, čime je postignuto zamjetno poboljšanje preciznosti metode u terminima izračunate energije.

Keywords / Ključne riječi

molecular dynamics simulation; particle mesh Ewald; fast multipole method; GROMACS
simulacije molekulske dinamike; metoda Ewaldove mreže čestica; brza višepolna metoda; GROMACS

Read the full paper in Journal of the Polytechnic of Rijeka Vol. 13 No. 1 / Pročitajte čitav rad u Zborniku Veleučilišta u Rijeci Vol. 13 No. 1 ili preuzmite PDF rada