分子對接軟件AutoDockVina在太湖之光操作系統上的移植

高軍暉+管哲人+劉釗+鐘盈福+高竹+魏冬青

摘 要：“神威·太湖之光”計算系統是我國第一臺全部采用國產處理器構建的超級計算機，AutoDockVina是一款由MGL實驗室開發的分子對接軟件。該文論述分子對接軟件AutoDockVina在太湖之光操作系統上的移植工作，包括AutoDockVina在“神威·太湖之光”上的編譯過程、測試過程和今后的工作方向。測試結果表明，vina在“神威·太湖之光”上的運算速度正常、運算結果正確，表明我們的移植工作取得了初步的成功。

關鍵詞：AutoDockVina 神威·太湖之光 軟件移植 編譯 測試

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（b）-0089-02

1 “神威·太湖之光”計算系統

“神威·太湖之光”計算系統是國家“863計劃”重大專項研究成果，是我國第一臺全部采用國產處理器構建的超級計算機，由國家并行計算機工程技術研究中心研制[1]。在2016年6月20日世界TOP500超級計算機排名中，“神威·太湖之光”系統峰值運算性能（125.436PFlops）、持續運算性能（93.015PFlops）、性能功耗比（6.05GFlops/W）三項關鍵指標均位居世界第一。

“神威·太湖之光”計算系統共包含了40 960個“申威26010”眾核處理器。“申威26010”是由國家“核高基”重大專項支持的我國第一款自主研發的眾核處理器，由國家高性能集成電路設計中心研制，性能國際領先，并成功量產，打破了美國對我國的技術封鎖。處理器基于申威（SW-64）指令集，采用片上融合異構眾核架構和FCBGA3832封裝，單個處理器包含了260個運算核心。“神威·太湖之光”具有世界領先水平的超大規模系統低功耗控制技術和高密度組裝，比目前世界排名第二的系統節能60%以上，單機倉組裝密度居世界第一。

同時，基于“神威·太湖之光”系統自主研發軟件，建立了基于申威CPU的高性能計算軟件生態鏈。目前“神威·太湖之光”計算系統開始應用于四個關鍵領域：先進制造業應用（CFD、CAE）、地球系統建模和天氣預報、生物醫藥領域的計算、大數據分析。

2 分子對接軟件AutoDockVina

AutoDock是一款開源的分子模擬軟件，最主要應用于執行配體—蛋白分子對接[2～3]。它由Scripps研究所的Olson實驗室開發與維護，目前最新版本為AutoDock 4.2。AutoDockVina也是一款由MGL實驗室開發的分子對接軟件。與AutoDock 4.0相比，AutoDockVina提高了結合模式預測的平均準確度，通過使用更簡單的打分函數加快了搜索速度，并且在處理約20個可旋轉鍵的體系時仍然能提供重現性較好的對接結果。

3 AutoDockVina在太湖之光上的編譯

“神威·太湖之光”計算系統采用基于Linux的神威Raise OS 2.0.5作為操作系統，多核心處理器的基本軟件堆棧包括基本的編譯器組件，包括C、C++和Fortran編譯器。C語言，支持C99標準。C++語言，支持C++03標準，并提供支持C++11標準的SWGCC編譯環境（從核不支持C++）。Fortran語言，支持Fortran2003標準中主要的功能，滿足實際課題需求。

第一步，下載AutoDockVina源碼[4]。從Scripps研究所的官網下載AutoDockVina源碼，最新的版本是1_1_2。

第二步，安裝Boost庫[5]。Boost庫是一個可移植、提供源代碼的C++庫，作為標準庫的后備，是C++標準化進程的開發引擎之一。下載版本1.41.0的Boost，使用“神威·太湖之光”的SWGCC編譯[6]，編譯完成后運行其中的例子，以確保Boost庫被正確的編譯。

第三步，編譯AutoDockVina。編輯AutoDockVina源碼中的Makefile，定義Boost的版本和路徑，指定編譯器為SWGCC。運行Make，經過一段時間后，編譯完成。

通過上述步驟，AutoDockVina被成功移植到了“神威·太湖之光”計算系統。

4 AutoDockVina在太湖之光上的測試

我們通過一個實例來測試編譯是否成功。從PDB[7]網站獲取蛋白質結構文件，我們下載了編號為3ik0蛋白結構文件。使用OpenBabel[8]軟件把蛋白質結構文件和小分子結構文件均轉化成pdbqt格式，編寫好vina運行需要的config.txt文件。現在可以開始分子對接了，利用“神威·太湖之光”上面的bsub作業提交系統運行vina，經過一段時間后，程序運行結束，輸出了計算結果，結果文件中列出了9個結合自由能最低的模式。

我們的測試環境是一個CPU，主頻為1.5 GHz。一個CPU有4個核組。如果只用其中的一個核，運行vina進行3ik0蛋白分子對接的時間為14 min多一點點。如果四個核都用上，時間在220 s左右。

由于vina中采用了選擇隨機種子的方法，與x86機器上的運行結果類似，在“神威·太湖之光”每一次輸出的結果也會不一樣。針對3ik0蛋白的分子對接，“神威·太湖之光”上面得到的最佳匹配模式對應的結合自由能變化可以達到-8.5 kal/mol，這個結果與x86機器上的運行結果也非常非常接近。

以上測試進行了很多次，結果穩定。測試結果表明，vina在“神威·太湖之光”上的運算速度正常、運算結果正確。

5 結語

該文的工作表明，AutoDockVina的移植工作取得了初步的成功，也說明了“神威·太湖之光”兼容性非常好。然而我們的工作還沒有結束，后面我們還要進行優化工作，包括從核的利用，多CPU的運行等。

參考文獻

[1] Fu Haohuan，J Liao，J Yang，et al.The Sunway Taihu Light supercomputer：system and applications[J].Science China Infromation Sciences，2016，59（7）：1-16.

[2] Huey， R.， Morris， G. M.， Olson， A. J. ，et al.A semiempirical free energy force field with charge-based desolvation[J].Computational Chemistry，2007（28）：1145-1152.

[3] Goodsell， D. S.， Morris， G. M.，Olson， A. J..Automated docking of flexible ligands： applications of AutoDock[J].Journal of Molecular Recognition，1996（1）：1-5.

[4] The current version is 1.1.2[EB/OL].（2011-05-11）.http：//vina.scripps.edu/download.html.

[5] Boost C++ Libraries[EB/OL].http：//www.boost.org/.

[6] 國家超級計算無錫中心.神威﹒太湖之光系統并行程序設計指南[Z].

[7] A Structural View of Biology[EB/OL].http：//www.rcsb.org/pdb/home/home.do.

[8] Open Babel：The Open Source Chemistry Toolbox[EB/OL].http：//openbabel.org/wiki/Main_Page.