基于FPGA的分子动力学模拟匹配单元设计

来源：计算机测量与控制杂志2022年第6期北京时间：

作者：王鑫,刘炫

单位：1. 江南大学 教育部轻工过程先进控制重点实验室; 2. 江苏省未来网络创新研究院

摘要：为减少分子动力学模拟中短程力计算的时间消耗，设计并实现基于现场可编程门阵列的分子动力学模拟匹配单元。理论上，分析了分子动力学模拟中粒子间作用力的物理规律，提出两种满足短程力计算要求的粒子对的筛选方法：偏序法和平面法。技术上，使用新兴的硬件描述语言SpinalHDL，在Xilinx Virtex UltraScale+ HBM VCU128 FPGA板卡上实现了匹配单元。最后，将硬件测试结果与理论结果进行对比，验证了匹配单元可以有效过滤掉对短程力计算没有贡献的粒子对。同时对使用偏序法、平面法和使用直接计算法两种不同情况下的资源消耗进行对比分析，表明使用偏序法、平面法可以节省系统70%的DSP资源。

关键词：分子动力学;现场可编程门阵列;匹配单元;并行计算;短程力

基金资助：国家自然科学基金(61703185)；高等学校学科创新引智计划项目(B12018)；未来网络科研(FNSRFP-2021-YB-11)。