분자동력학 계산 60배의 고속화


1.   배경
C, H, N, O를 포함하는 폭약은 폭발생성물로서 고온(1000~5000K), 고압(1-50GPa)상태의 N2, H2O, CO2 를 생성합니다.
문헌[1]에 있어서는, 그와 같은 극한상태에서는, N2/H2O 혼합물은, 폭뢰파 배후에서 상분리를 일으키는 것이 예측되고 있습니다.
코시 ․ 마츠이[2]는, 분자동력학 프로그램(NVT3)을 이용해서, 확실하게 그와 같은 극한상태에서는 상분리가 일어나는 것을 검증했습니다.
NVT3은 코시교수에 의해 쓰여진 FORTRAN77의 프로그램으로, 검증에서는 온도 T=2000K에서, 256개의 분자 (128H2O + 128N2)의 계산이 이루어졌습니다.

2.  NVT3프로그램
NVT3프로그램은 이분자혼합체의 분자동력학계산을 NVT 또는 NVE 앙상블로 계산합니다. 분자간 포텐셜은 개량 Buckingham (exp-6)포텐셜을 사용하고 분자위치는 leap-frog법으로 적분합니다.
프로그램은 온도, 압력, 에너지 등 외에도 서로 분리를 일으기는 정도를 보기 위하여 pair correlation function값을 출력합니다.

3.  NVT3 MD 프로그램의 고속화
우리는, 코시교수의 FORTRAN77 프로그램을 먼저 C에 고쳐쓰고, 계속해서 CUDA화 했습니다.
그 결과, 계산은, 전부를 CPU에서 실행한 경우와 비교해서, 37~60배의 속도로 계산할 수가 있었습니다.

4.  결과
아래의 화상은, 2분자혼합체의 거의 최초의 상태(step 10 t=10펨토초)와 2상이 분리한 상태(step 10400, t=10.4피코초)를 나타내고 있습니다.
이 계산에서, 분자의 수는 N=13500, 온도는 T=2500K, 밀도는 ρ=2.3867g/㎤입니다. 계산은 20000타임스텝, 20피코초까지 시행했습니다. Intel Core i7기, GPU는 GeForce GTX480으로, 총 계산시간은 12분이었습니다.

frame_1.gif
Figure 1: Near-initial state (10ps) of the H20/N2 system.  No phase separation can be observed.

md_simulation_movie.gif
Figure 2: Step 10400 (10.4 ps): Phase separation occurred: one can clearly see the clustering of the water molecules (blue) and the nitrogen molecules (white).

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5. 기타
이 프로그램은, 2분자혼합체를 exp-6 포텐셜로 계산하는 것으로서, 수만의 분자수를 취급할 수가 있습니다.
분자의 종류를 3이상으로 하거나, 또 exp-6 이외의 포텐셜을 사용할 수도 있습니다

6. 참고문헌
[1] F.H. Ree, “Supercritical fluid phase separations: Implications for detonation properties of condensed explosives”,
  J. Chem. Phys.,84, 5845 (1986)
[2] Koshi, M., Matsui, H., “Molecular Dynamics Study of High Temperature
  Phase-Separation in H2O/N2 mixture with exp-6 interactions”,
  Molecular Simulation, 1994, Vol. 12(3-6), pp. 227-239.


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