1. 引言
CANN开源社区Material Chemical Engineering SIG（材料化学工程特别兴趣小组，以下简称"MCE SIG"）发布4款分子动力学（MD）核心算子——GAFF2力场算子、PME长程静电算子、SHAKE键长约束算子、Velocity Verlet时间积分算子。4款算子分别对应MD主循环中的力场计算、长程静电处理、键长约束与时间积分环节，与此前已发布的LJForceFused融合算子、DPD介观模拟算子一起，可直接服务于以下典型分子动力学模拟场景，帮助开发者快速构建面向化工、材料、能源领域的NPU加速模拟流程：
应用场景 | 核心算子 |
有机分子体系力场计算 | GAFF2 |
带电周期性体系的长程静电 | PME |
含氢键体系的键长约束 | SHAKE |
常规NVE/NPT时间推进 | Velocity Verlet |
2. 背景：MD算子化迁移的主要工程挑战
分子动力学模拟是化工、材料领域常用的计算手段，在催化剂设计、药物分子研究、电池材料、聚合物加工等方向均有应用。将MD关键步骤迁移至昇腾NPU，通常需要解决以下问题：
- 力场项多、链路长：经典力场涉及键、角、二面角、非键等多项势能，Host/Kernel分工与数据传递需逐一实现
- 长程静电处理复杂：周期性边界下库仑相互作用需借助Ewald/PME等算法，实现与调试成本较高
- 约束与积分需协同：SHAKE约束与Velocity Verlet积分往往交替执行，异构环境下需额外编排
- 精度需可验证：科学计算场景通常要求与CPU参考实现对比，确认误差在可接受范围内
针对上述挑战，MCE SIG本次发布的4款算子提供完整NPU解决方案：
- GAFF2力场算子：统一实现键、角、二面角、LJ、库仑等五项势能计算，解决力场项多、链路长的问题
- PME长程静电算子：实现Ewald/PME算法，高效处理周期性边界下的长程静电相互作用
- SHAKE键长约束算子+ Velocity Verlet时间积分算子：协同完成约束与积分，支持大时间步长稳定模拟
4款算子均基于Ascend C开发，提供与CPU参考实现对比的测试用例，确保科学计算精度可验证。
3. 典型应用场景与算子组合
一个典型MD时间步可大致表示为：
Velocity Verlet（时间积分）
→ GAFF2（力场：键/角/二面角/LJ/库仑）
→ PME（长程静电：Ewald实空间 + PME倒易空间）
→ SHAKE（键长约束）
→ 回到 Velocity Verlet
上述流程为算法层面的常见组织方式；实际调用顺序、是否与PME/SHAKE配合，需结合具体模拟体系在Host侧配置。4款算子均可独立编译和测试，便于分模块验证与集成。
3.1 GAFF2力场算子
GAFF2（General AMBER Force Field 2）是面向有机小分子的常用力场。本算子实现了GAFF2的五项势能——键伸缩、键角弯曲、二面角扭转、Lennard-Jones 12-6、库仑静电，力约定与GROMACS一致F=-∇E，并支持PBC最小镜像及1-4对缩放规则。
实现与验证情况：
- Ascend C核函数中，sqrt、sin/cos等函数通过位运算与Newton-Raphson迭代实现，文档记录的单项数学误差约 10-7 量级
- 在Atlas A2/A3系列环境下，64原子体系单步力场计算约200 μs（见算子examples说明，仅为参考值）
- 单元测试中，Bond/LJ/Coulomb分项与CPU参考对比均通过；力误差容差分别为10-4（Bond）、10-3（LJ、Coulomb）
3.2 PME长程静电算子
周期性体系中，库仑相互作用不宜直接截断。本算子实现了Ewald求和及PME（Particle Mesh Ewald）相关组件：
- 实空间：erfc修正的短程Coulomb力
- 倒易空间：B样条电荷分配、3D FFT、倒易空间能量/力计算及插值回原子
PME倒易空间部分的理论复杂度为ON log N量级，适用于需要处理长程静电的带电体系。当前仓库以算法实现与模块划分为主，建议开发者结合本算子测试用例自行评估。
3.3 SHAKE键长约束算子
SHAKE用于在积分后对键长施加约束，常用于含氢键体系，以避免时间步长过小。本算子采用NPU Kernel完成单步修正，Host侧循环调用直至收敛（默认容差 10-4 nm）。
单元测试与算法文档中的对比结果显示：与CPU double参考相比，单键长度偏差约 10-5 nm量级；与Velocity Verlet联跑10步后，最大坐标差约10-5 nm。上述数据来自仓库内测试配置，不代表所有体系与规模下的表现。
3.4 Velocity Verlet时间积分算子
Velocity Verlet是MD中常用的时间积分方法。受Ascend C核函数间数据隔离限制，本算子拆为多个Kernel，由Host编排：
Kernel | 功能 |
vv_integrate | 半步速度更新 + 全步位置更新（含PBC折叠） |
vv_finish | 力更新后的全步速度完成 |
thermo_scale | NPT恒温/恒压相关缩放 |
单元测试中，100步NVE模拟的能量漂移指标要求Δ EE< 0.1%，NPU与CPU参考路径的位置偏差要求10-3 nm。算法文档中更小步数下的坐标差可达10-6 nm量级。测试用例通过即表明在当前配置下精度满足预设容差。
5. 技术实现特点
4款算子均基于Ascend C开发，工程上采用相近的组织方式：
特性 | 说明 |
独立编译 | 各算子目录含CMake配置，可单独构建 |
Host/Kernel分层 | 迭代、多Kernel调度在Host侧，计算密集部分在NPU Kernel |
FP32计算 | 采用单精度浮点，并通过文档/测试给出与CPU参考的误差对比 |
多核并行 | 按原子或约束分配到AI Core（具体策略因算子而异） |
测试与示例 | 提供C++单元测试、examples及算法说明文档 |
目标硬件为Atlas A2/A3系列，开发依赖CANN ≥ 7.0（以各算子README为准）。
4. 四款算子在MD主循环中的位置
各算子在MD主循环中的典型调用顺序如下（具体配合方式需结合模拟体系在Host侧配置）：
方向 | 相关算子 |
有机分子体系力场计算 | GAFF2 |
带电周期性体系的长程静电 | PME |
含氢键体系的键长约束 | SHAKE |
常规NVE/NPT时间推进 | Velocity Verlet |
6. 参与与反馈
欢迎化工、材料、能源领域的开发者下载代码、运行测试用例（详情见https://gitcode.com/cann/mat-chem-sim-pred/tree/master/simulation/AI4MD），并通过Issue或社区渠道反馈问题与改进建议。算子仍在持续迭代中，欢迎加入MCE SIG共同完善面向流程工业的开源算子库。
联系公邮：mce-owner@cann.osinfra.cn
