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Graph neural networks accelerated molecular dynamics

计算机科学 水准点(测量) 分子动力学 计算 推论 比例(比率) 恒温器 人工神经网络 图形 人工智能 统计物理学 算法 理论计算机科学 物理 化学 计算化学 热力学 地理 量子力学 大地测量学
作者
Zijie Li,Kazem Meidani,Prakarsh Yadav,Amir Barati Farimani
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:156 (14): 144103-144103 被引量:56
标识
DOI:10.1063/5.0083060
摘要

Molecular Dynamics (MD) simulation is a powerful tool for understanding the dynamics and structure of matter. Since the resolution of MD is atomic-scale, achieving long timescale simulations with femtosecond integration is very expensive. In each MD step, numerous iterative computations are performed to calculate energy based on different types of interaction and their corresponding spatial gradients. These repetitive computations can be learned and surrogated by a deep learning model, such as a Graph Neural Network (GNN). In this work, we developed a GNN Accelerated MD (GAMD) model that directly predicts forces, given the state of the system (atom positions, atom types), bypassing the evaluation of potential energy. By training the GNN on a variety of data sources (simulation data derived from classical MD and density functional theory), we show that GAMD can predict the dynamics of two typical molecular systems, Lennard-Jones system and water system, in the NVT ensemble with velocities regulated by a thermostat. We further show that GAMD’s learning and inference are agnostic to the scale, where it can scale to much larger systems at test time. We also perform a comprehensive benchmark test comparing our implementation of GAMD to production-level MD software, showing GAMD’s competitive performance on the large-scale simulation.

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