생명공학
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MD simulation

 VMD는 3D 그래픽과 내장 스크립트를 이용하여 대규모 생체 분자 시스템을 표시하고, 애니메이션 및 분석을 실행하는 분자 시각화 프로그램입니다. VMD는 일리노이 대학의 이론 및 계산 생체 물리학 그룹(Theoretical and Computational Biophysics Group)이 Urbana 캠페인의 일환으로 무상 제공하고 있습니다.

VMD 1.8.7 버전에 포함된 여러 가지 핵심 커널과 어플리케이션은 NVIDIA GPU의 대규모 병렬 CUDA 아키텍처를 활용합니다. 이러한 어플리케이션은 NVIDIA CUDA GPU를 사용하면 CPU에서 실행하는 경우와 비교시 최소 20배에서 최대 100배 빠르게 실행됩니다. 아래에서 자세한 내용을 살펴보십시오.

http://www.ks.uiuc.edu/Research/gpu/에서 VMD와 NAMD의 GPU 가속에 대한 최근 소식을 확인하실 수 있습니다.

 

분자 궤도 디스플레이

분자 궤도 시각화(MO)는 양자 화학 시뮬레이션 결과를 분석할 때 중요한 역할을 합니다.

차트 결과에서 확인할 수 있듯이 GPU는 실시간 계산만을 이용하여 사상 처음으로 양자 화학 시뮬레이션 궤적을 상호작용 방식의 애니메이션으로 구현해줍니다.

  • CPU 실행 시간: 10~100초
  • GPU 실행 시간: 0.3초 이내

VMD에서 어플리케이션의 속도는 Tesla GPU의 수에 비례하여 증가합니다.

  • Tesla GPU 3개: 323배 가속
  • Tesla GPU 4개: 412배 가속

VMD Molecular Orbital Computation
VMD에서 분자 궤도 계산

 

이온 배치

바이러스와 같은 매우 큰 구성체를 쿨롬(Coulomb)을 기반으로 이온화하려면 가장 최신의 CPU 클러스터를 이용한다고 해도 며칠 이상이 소요됩니다.

VMD의 GPU 기반 이온 배치 도구는 정전위 맵 계산 속도를 향상시켜 4 Tesla C1060 GPU로 1.78 테라플롭의 실제 성능을 얻을 수 있습니다. GPU를 사용하면 평균 필드의 사전 계산이 가능하여 분자 역학(MD) 코드 내에서 실시간으로 계산할 수 있습니다.


VMD Ion Placement
직접 쿨롬 합산(69배 빠름)

 

절대적 리간드 샘플링

절대적 리간드(ligand) 샘플링은 단백질 내에서 기체 이동 경로를 찾는 데 이용됩니다. 이 방식은 O2, CO 등의 분자가 단백질 내로 들어가는 작용 기전을 밝히는 연구에 이용되며, 특히 대체 연료 및 에너지 연구에 유용합니다.

CPU에서 2개월 이상이 소요되는 ILS 실행 작업이 단일 Tesla C1060 GPU 환경에서는 단 3일 밖에 걸리지 않습니다.

VMD Implicit Ligand
VMD에서 절대적 리간드 샘플링(20배 빠름)

 

 

가우시안 (Gaussian)과 GAMESS를 비롯하여 양자 역학 코드의 가속화를 위해 CUDA 기반 GPU를 이용한 여러 프로젝트가 진행되고 있다. 아래 표는 대표적인 결과들을 보여주고 있으며, CUDA에 의한 컴퓨터 화학 가속화 관련 소프트웨어 및 기술 연구 보고서들에 대한 링크는 아래 제공된다.


Direct self-consistent field calculations Quantum Chem Coulomb Potential
직접적 셀프 컨시스턴트 필드 (SCF) 계산
우핌스테프와 마르티네즈
2 전자 통합 평가
코지 야수다 (Koji Yasuda)

 

CUDA를 위한 분자 역학 소프트웨어 다운로드

CUDA에 대한 컴퓨터 화학의 기술 보고서

 

본 자료는 NVIDIA에서 제공하였습니다.

 

또한 NVIDIA에서 BIO Workbench  공식 사이트를 오픈하였습니다.

http://www.nvidia.co.kr/object/tesla_bio_workbench_kr.html