New optimized algorithms for molecular dynamics simulations

• Published in: Condensed Matter Physics
• Date: 2002
• Main Authors: Omelyan, I.P., Mryglod, I.M., Folk, R.
• Format: Article
• Language: English
• Published: Інститут фізики конденсованих систем НАН України 2002
• Online Access: https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/120663
• Journal Title: Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
• Cite this: New optimized algorithms for molecular
 dynamics simulations / I.P. Omelyan, I.M. Mryglod, R. Folk // Condensed Matter Physics. — 2002. — Т. 5, № 3(31). — С. 369-390. — Бібліогр.: 37 назв. — англ.

The method of molecular dynamics (MD) is a powerful tool for the prediction
 and investigation of various phenomena in physics, chemistry and biology.
 The development of efficient MD algorithms for integration of the equations
 of motion in classical and quantum many-body systems should therefore
 impact a lot of fields of fundamental research. In the present study it is
 shown that most of the existing MD integrators are far from being ideal and
 further significant improvement in the efficiency of the calculations can be
 reached. As a result, we propose new optimized algorithms which allow
 to reduce the numerical uncertainties to a minimum with the same overall
 computational costs. The optimization is performed within the well recognized
 decomposition approach and concerns the widely used symplectic
 Verlet-, Forest-Ruth-, Suzuki- as well as force-gradient-based schemes. It
 is concluded that the efficiency of the new algorithms can be achieved
 better with respect to the original integrators in factors from 3 to 1000 for
 orders from 2 to 12. This conclusion is confirmed in our MD simulations
 of a Lennard-Jones fluid for a particular case of second- and fourth-order
 integration schemes. Метод молекулярної динаміки (МД) є потужним знаряддям для передбачення і вивчення різноманітних явищ у фізиці, хімії та біології. Побудова ефективних МД алгоритмів для інтегрування рівнянь руху в класичних і квантових багаточастинкових системах повинна, отже, істотно вплинути на розвиток багатьох областей фундаментальних досліджень. У даному розгляді показано, що більшість існуючих МД інтеграторів далекі від ідеальних, і може бути досягнуто подальше значне покращення ефективності обчислень. Як результат, ми пропонуємо нові оптимізовані алгоритми, які дозволяють зменшити чисельні похибки до мінімуму при тих самих загальних обчислювальних затратах. Оптимізація здійснюється у рамках загально визнаного де- композиційного підходу і стосується широко застосовуваних симп- лектичнихсхем Верле, Фореста-Рутха, Сузукі, а також схем, які базуються на обчисленні градієнтів сил. Ми приходимо до висновку, що ефективність нових алгоритмів може бути кращою порівняно з оригінальними інтеграторами від 3 до 1000 разів для порядків від 2 до 12. Цей висновок підтверджується у наших МД симуляціях Леннард- Джонсівської рідини для випадку схем інтегрування другого і четвертого порядку точності.