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NVNMD-v2: Scalable and Accurate Deep Learning Molecular Dynamics Model Based on Non-Von Neumann Architectures

可扩展性 计算机科学 深度学习 动力学(音乐) 冯·诺依曼建筑 分子动力学 人工智能 计算科学 数据科学 计算机体系结构 化学 物理 计算化学 数据库 声学 操作系统
作者
Xiaoyun Yu,Guang Yang,Zhuoying Zhao,Junhua Li,Xinyu Xiao,Xin Zhang,Jie Liu,Pinghui Mo
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:21 (18): 8918-8932
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.5c01050
摘要

Molecular dynamics (MD) simulations have emerged as a transformative computational microscope for probing atomic interactions spanning catalysis, energy storage, biotechnology, and beyond. However, existing machine-learning MD (MLMD) frameworks face a trilemma in balancing accuracy, scalability, and energy efficiency, particularly in compositionally complex systems like high-entropy alloys and multiferroic perovskites. Here, we introduce NVNMD-v2, a co-designed algorithm-hardware architecture that integrates a generalized deep neural-network potential (GDNNP) within a processing-in-memory (PIM) accelerator. Building on the foundation of NVNMD-v1, which was limited to four-element systems, NVNMD-v2 employs optimized type-embedding descriptors to support multielement systems with up to 32 species, eliminating species-dependent parameter scaling. Deployed on a single FPGA, NVNMD-v2 maintains DFT-level accuracy while achieving a flat per-atom computational cost (∼10-7 s/step/atom), enabling simulations of system up to 20 million atoms─a 103 × scale-up over DeePMD on an NVIDIA V100 GPU, with ∼120 × energy reduction. These advances unlock quantum-accurate MD for multielement materials, from semiconductor heterostructures to biomolecular assemblies, bridging the gap between atomic fidelity and industrial-scale simulations.
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