GPU-enabled Macromolecular Simula4ons: Challenges and - PowerPoint PPT Presentation

GPU-­‑enabled ¡Macromolecular ¡Simula4ons: ¡ Challenges ¡and ¡Opportuni4es Michela Taufer 1 with Sandeep Patel 1 and Narayan Ganesan 2 1 University of Delaware 2 Stevens Institute of Technology

MD ¡Simula4ons ¡ • MD ¡simula4ons ¡study ¡the ¡dynamics ¡of ¡individual ¡molecules ¡ (molecular ¡posi4ons) ¡as ¡in ¡a ¡mo4on ¡picture 1 ¡  MD ¡simula4ons ¡are ¡itera4ve ¡execu4ons ¡of ¡MD ¡steps ¡  Given ¡ini4al ¡atomic ¡posi4ons ¡and ¡veloci4es, ¡obtain ¡those ¡at ¡later ¡4mes ¡ by ¡integra4ng ¡ordinary ¡differen4al ¡equa4ons ¡ • MD ¡simula4ons ¡complement ¡experiments ¡  Cri4cal ¡for ¡atomic-­‑level ¡insights ¡ • Limita4ons ¡in ¡MD ¡simula4ons: ¡  Length ¡and ¡4me ¡scales ¡restricted ¡at ¡the ¡fully ¡atomis4c ¡level ¡ • GPUs ¡can ¡provide ¡us ¡with ¡the ¡compu4ng ¡power ¡to ¡cope ¡with ¡ large ¡length ¡and ¡4me ¡scales ¡ 1 J.M. Haile, Molecular Dynamics Simulation, John Wiley and Sons, Inc. (1992) 1

MD ¡on ¡GPUs ¡ MD ¡simula4on ¡step: ¡ • Each ¡GPU-­‑thread ¡computes ¡forces ¡ on ¡single ¡atoms ¡  E.g., ¡bond, ¡angle, ¡dihedrals ¡and, ¡ nonbond ¡forces ¡ • Forces ¡are ¡added ¡to ¡compute ¡ accelera4on ¡ • Accelera4on ¡is ¡used ¡to ¡update ¡ Force ¡-­‑> ¡Accelera4on ¡-­‑> ¡Velocity ¡ veloci4es ¡ ¡ • Veloci4es ¡are ¡used ¡to ¡update ¡the ¡ ¡ ¡-­‑> ¡ ¡Posi4on ¡ posi4ons ¡ 2

Aspects ¡of ¡Realis4c ¡MD ¡Simula4on ¡ Realis4c ¡ Validity ¡and ¡ Realism ¡of ¡model ¡ representa4on ¡of ¡ accuracy ¡of ¡ molecular ¡system ¡ simula4on ¡ • Realism ¡of ¡model: ¡the ¡mathema4cal ¡model ¡reproduces ¡the ¡ behavior ¡of ¡the ¡real ¡physical ¡system 1 ¡ ¡ • Validity ¡and ¡accuracy ¡of ¡simula4on: ¡simula4ons ¡may ¡suffer ¡ from ¡uncertain4es ¡in ¡reaching ¡an ¡equilibrium ¡or ¡errors 1 ¡  Sta4s4cal, ¡numerical, ¡and ¡round-­‑off ¡errors ¡ 1 J.M. Haile, Molecular Dynamics Simulation, John Wiley and Sons, Inc. (1992) 3

NVE ¡ FLOPS ¡ NS / DAY ¡ MD ¡ OF ¡ ENSEMBLES ¡ P ERFORMANCE ¡ NPT ¡ S CALABILITY ¡ NVT ¡ M ATHEMATICAL ¡ MODEL ¡ I NTERACTION ¡ POTENTIAL ¡ A SPECTS ¡ OF ¡ REALISTIC ¡MD ¡ SIMULATION ¡ F ORCE ¡ FIELD ¡ E NERGY ¡ FLUCTUATIONS ¡ ¡ E LECTROSTATIC ¡ INTERACTIONS ¡ V ALIDATION ¡ AND ¡ ¡ ACCURACY ¡ PME ¡ F REEZING ¡ FAST ¡ DEGREES ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ OF ¡ MOTION ¡ E MPIRICAL ¡ VALIDATION ¡ I MPOSING ¡ CONSTRAINTS ¡ ON ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ INTERATOMIC ¡ DISTANCES ¡ S INGLE ¡P EPTIDE ¡D IFFUSION ¡ S HAKE ¡/ ¡ RATTLE ¡ S TUDY ¡ PHYSICAL -­‑ CHEMICAL ¡ SYSTEMS ¡ R ESTRAINTS ¡ P ROTEIN -­‑M EMBRANE ¡I NTERACTION ¡

NVE ¡ FLOPS ¡ NS / DAY ¡ MD ¡ OF ¡ ENSEMBLES ¡ P ERFORMANCE ¡ NPT ¡ S CALABILITY ¡ NVT ¡ M ATHEMATICAL ¡ MODEL ¡ I NTERACTION ¡ POTENTIAL ¡ A SPECTS ¡ OF ¡ REALISTIC ¡MD ¡ SIMULATION ¡ F ORCE ¡ FIELD ¡ E NERGY ¡ FLUCTUATIONS ¡ ¡ E LECTROSTATIC ¡ INTERACTIONS ¡ V ALIDATION ¡ AND ¡ ¡ ACCURACY ¡ PME ¡ F REEZING ¡ FAST ¡ DEGREES ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ OF ¡ MOTION ¡ E MPIRICAL ¡ VALIDATION ¡ I MPOSING ¡ CONSTRAINTS ¡ ON ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ INTERATOMIC ¡ DISTANCES ¡ S INGLE ¡P EPTIDE ¡D IFFUSION ¡ S HAKE ¡/ ¡ RATTLE ¡ S TUDY ¡ PHYSICAL -­‑ CHEMICAL ¡ SYSTEMS ¡ R ESTRAINTS ¡ P ROTEIN -­‑M EMBRANE ¡I NTERACTION ¡

NVE ¡ FLOPS ¡ NS / DAY ¡ MD ¡ OF ¡ ENSEMBLES ¡ P ERFORMANCE ¡ NPT ¡ S CALABILITY ¡ NVT ¡ M ATHEMATICAL ¡ MODEL ¡ I NTERACTION ¡ POTENTIAL ¡ A SPECTS ¡ OF ¡ REALISTIC ¡MD ¡ SIMULATION ¡ F ORCE ¡ FIELD ¡ E NERGY ¡ FLUCTUATIONS ¡ ¡ E LECTROSTATIC ¡ INTERACTIONS ¡ V ALIDATION ¡ AND ¡ ¡ ACCURACY ¡ PME ¡ F REEZING ¡ FAST ¡ DEGREES ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ OF ¡ MOTION ¡ E MPIRICAL ¡ VALIDATION ¡ I MPOSING ¡ CONSTRAINTS ¡ ON ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ INTERATOMIC ¡ DISTANCES ¡ S INGLE ¡P EPTIDE ¡D IFFUSION ¡ S HAKE ¡/ ¡ RATTLE ¡ S TUDY ¡ PHYSICAL -­‑ CHEMICAL ¡ SYSTEMS ¡ R ESTRAINTS ¡ P ROTEIN -­‑M EMBRANE ¡I NTERACTION ¡

NVE ¡ FLOPS ¡ NS / DAY ¡ MD ¡ OF ¡ ENSEMBLES ¡ P ERFORMANCE ¡ NPT ¡ S CALABILITY ¡ NVT ¡ M ATHEMATICAL ¡ MODEL ¡ I NTERACTION ¡ POTENTIAL ¡ A SPECTS ¡ OF ¡ REALISTIC ¡MD ¡ SIMULATION ¡ F ORCE ¡ FIELD ¡ E NERGY ¡ FLUCTUATIONS ¡ ¡ E LECTROSTATIC ¡ INTERACTIONS ¡ V ALIDATION ¡ AND ¡ ¡ ACCURACY ¡ PME ¡ F REEZING ¡ FAST ¡ DEGREES ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ OF ¡ MOTION ¡ E MPIRICAL ¡ VALIDATION ¡ I MPOSING ¡ CONSTRAINTS ¡ ON ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ INTERATOMIC ¡ DISTANCES ¡ S INGLE ¡P EPTIDE ¡D IFFUSION ¡ S HAKE ¡/ ¡ RATTLE ¡ S TUDY ¡ PHYSICAL -­‑ CHEMICAL ¡ SYSTEMS ¡ R ESTRAINTS ¡ P ROTEIN -­‑M EMBRANE ¡I NTERACTION ¡

NVE ¡ FLOPS ¡ NSEC / DAY ¡ MD ¡ OF ¡ ENSEMBLES ¡ P ERFORMANCE ¡ NPT ¡ S CALABILITY ¡ NVT ¡ M ATHEMATICAL ¡ MODEL ¡ I NTERACTION ¡ POTENTIAL ¡ A SPECTS ¡ OF ¡ REALISTIC ¡MD ¡ SIMULATION ¡ F ORCE ¡ FIELD ¡ E NERGY ¡ FLUCTUATIONS ¡ ¡ E LECTROSTATIC ¡ INTERACTIONS ¡ V ALIDATION ¡ AND ¡ ¡ ACCURACY ¡ PME ¡ F REEZING ¡ FAST ¡ DEGREES ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ OF ¡ MOTION ¡ E MPIRICAL ¡ VALIDATION ¡ I MPOSING ¡ CONSTRAINTS ¡ ON ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ INTERATOMIC ¡ DISTANCES ¡ S INGLE ¡P EPTIDE ¡D IFFUSION ¡ S HAKE ¡/ ¡ RATTLE ¡ S TUDY ¡ PHYSICAL -­‑ CHEMICAL ¡ SYSTEMS ¡ R ESTRAINTS ¡ P ROTEIN -­‑M EMBRANE ¡I NTERACTION ¡

NVE ¡ FLOPS ¡ NS / DAY ¡ MD ¡ OF ¡ ENSEMBLES ¡ P ERFORMANCE ¡ NPT ¡ S CALABILITY ¡ NVT ¡ M ATHEMATICAL ¡ MODEL ¡ I NTERACTION ¡ POTENTIAL ¡ A SPECTS ¡ OF ¡ REALISTIC ¡MD ¡ SIMULATION ¡ F ORCE ¡ FIELD ¡ E NERGY ¡ FLUCTUATIONS ¡ ¡ E LECTROSTATIC ¡ INTERACTIONS ¡ V ALIDATION ¡ AND ¡ ¡ ACCURACY ¡ PME ¡ F REEZING ¡ FAST ¡ DEGREES ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ OF ¡ MOTION ¡ E MPIRICAL ¡ VALIDATION ¡ I MPOSING ¡ CONSTRAINTS ¡ ON ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ INTERATOMIC ¡ DISTANCES ¡ S INGLE ¡P EPTIDE ¡D IFFUSION ¡ S HAKE ¡/ ¡ RATTLE ¡ S TUDY ¡ PHYSICAL -­‑ CHEMICAL ¡ SYSTEMS ¡ R ESTRAINTS ¡ P ROTEIN -­‑M EMBRANE ¡I NTERACTION ¡

FEN ¡ZI ¡ Yun ¡Dong ¡de ¡FEN ¡ZI ¡= ¡Moving ¡MOLECULES ¡ • FEN ¡ZI ¡enables ¡GPU-­‑based ¡MD ¡simula4ons ¡in ¡NVT, ¡NVE, ¡and ¡ NPT 1 ¡ensembles ¡and ¡energy ¡minimiza4on 2 ¡  MD ¡forces ¡are ¡all ¡computed ¡on ¡GPU ¡ • Force ¡field ¡used: ¡CHARMM ¡force ¡field 3 ¡ • Lennard-­‑Jones ¡interac4ons: ¡ ¡  Switching ¡or ¡shi[ing ¡ • Long ¡distance ¡electrosta4c ¡interac4ons: ¡  Ewald ¡summa4on ¡method 5 ¡  Reac4on ¡field 6 ¡ • Solvent: ¡  Explicit ¡or ¡implicit ¡model ¡ 1 H. C. Andersen, J. Chem. Phys., 72 (1980) 2384-2393 2 M. C. Payne, et al., Rev. Mod. Phys., 64 (1992) 1045-1097  TIP3 ¡water ¡model ¡ 3 B. R. Brooks, et al., J. Comp. Chem., 4 (1983) 187{217  Flexible ¡SPC/Fw ¡water ¡model 4 ¡ 4 Y. Wu, et al., J. Chem. Phys., 124, 024503, 2006 5 U. Essmann, et al., J. Chem. Phys., 103 (1995) 8577 10 6 G. Hummer, et al., J. Phys. Condens. Matter (1994)

NVE ¡ FLOPS ¡ NS / DAY ¡ MD ¡ OF ¡ ENSEMBLES ¡ P ERFORMANCE ¡ NPT ¡ S CALABILITY ¡ NVT ¡ M ATHEMATICAL ¡ MODEL ¡ I NTERACTION ¡ POTENTIAL ¡ A SPECTS ¡ OF ¡ REALISTIC ¡MD ¡ SIMULATION ¡ F ORCE ¡ FIELD ¡ E NERGY ¡ FLUCTUATIONS ¡ ¡ E LECTROSTATIC ¡ INTERACTIONS ¡ V ALIDATION ¡ AND ¡ ¡ ACCURACY ¡ PME ¡ F REEZING ¡ FAST ¡ DEGREES ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ OF ¡ MOTION ¡ E MPIRICAL ¡ VALIDATION ¡ I MPOSING ¡ CONSTRAINTS ¡ ON ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ INTERATOMIC ¡ DISTANCES ¡ S INGLE ¡P EPTIDE ¡D IFFUSION ¡ S HAKE ¡/ ¡ RATTLE ¡ S TUDY ¡ PHYSICAL -­‑ CHEMICAL ¡ SYSTEMS ¡ R ESTRAINTS ¡ P ROTEIN -­‑M EMBRANE ¡I NTERACTION ¡

Short ¡and ¡Long ¡Range ¡Interac4ons ¡ ¡ • Each ¡itera4on ¡computes ¡forces ¡on ¡each ¡par4cle ¡due ¡to: ¡ Bonded ¡interac4ons ¡ 1 ¡  Bonds ¡  Angles ¡ ¡(ANGLes, ¡UREY-­‑b) ¡ ¡  Dihedrals ¡  Improper ¡ Non-­‑bonded ¡interac4ons ¡ 1 ¡  Van ¡der ¡Waals ¡  Electrosta4c ¡with ¡PME ¡ o Direct ¡space ¡energy ¡ o Reciprocal ¡space ¡energy ¡ o Self ¡energy ¡ 1 J. Phys. Chem. B, 1998, 102, 3586; J. Comput. Chem., 2004, 25, 1400; J. Comput. Chem., 2000, 21, 86, ibid. 105ff 12