Algorithms for adaptively restrained molecular dynamics

Les méthodes de dynamique moléculaire (MD pour Molecular Dynamics en anglais) sont utilisées pour simuler des systèmes volumineux et complexes. Cependant, la simulation de ce type de systèmes sur de longues échelles temporelles demeure un problème coûteux en temps de calcul. L'étape la plus coûteuse des méthodes de MD étant la mise à jour des forces entre les particules. La simulation de particules restreintes de façon adaptative (ARMD pour Adaptively Restrained Molecular Dynamics en anglais) est une nouvelle approche permettant d'accélérer le processus de simulation en réduisant le nombre de calculs de forces effectués à chaque pas de temps. La méthode ARMD fait varier l'état des degrés de liberté en position en les activants ou en les désactivants de façon adaptative au cours de la simulation. Du fait, que le calcul des forces dépend majoritairement de la distance entre les atomes, ce calcul peut être évité entre deux particules dont les degrés de liberté en position sont désactivés. En revanche, le calcul des forces pour les particules actives (i.e. celles dont les degrés de liberté en position sont actifs) est effectué. Afin d'exploiter au mieux l'adaptabilité de la méthode ARMD, nous avons conçu de nouveaux algorithmes permettant de calculer et de mettre à jour les forces de façon plus efficace. Nous avons développé des algorithmes permettant de construire et de mettre à jour des listes de voisinage de manière incrémentale. En particulier, nous avons travaillé sur un algorithme de mise à jour incrémentale des forces en un seul passage deux fois plus rapide que l'ancien algorithme également incrémental mais qui nécessitait deux passages. Les méthodes proposées ont été implémentées et validées dans le simulateur de MD appelé LAMMPS, mais elles peuvent s'appliquer à n'importe quel autre simulateur de MD. Nous avons validé nos algorithmes pour différents exemples sur les ensembles NVE et NVT. Dans l'ensemble NVE, la méthode ARMD permet à l'utilisateur de jouer sur le précision pour accélérer la vitesse de la simulation. Dans l'ensemble NVT, elle permet de mesurer des grandeurs statistiques plus rapidement. Finalement, nous présentons des algorithmes parallèles pour la mise à jour incrémentale en un seul passage permettant d'utiliser la méthode ARMD avec le standard Message Passage Interface (MPI).Molecular Dynamics (MD) is often used to simulate large and complex systems. Although, simulating such complex systems for the experimental time scales are still computationally challenging. In fact, the most computationally extensive step in MD is the computation of forces between particles. Adaptively Restrained Molecular Dynamics (ARMD) is a recently introduced particles simulation method that switches positional degrees of freedom on and off during simulation. Since force computations mainly depend upon the inter-atomic distances, the force computation between particles with positional degrees of freedom off~(restrained particles) can be avoided. Forces involving active particles (particles with positional degrees of freedom on) are computed.In order to take advantage of adaptability of ARMD, we designed novel algorithms to compute and update forces efficiently. We designed algorithms not only to construct neighbor lists, but also to update them incrementally. Additionally, we designed single-pass incremental force update algorithm that is almost two times faster than previously designed two-pass incremental algorithm. These proposed algorithms are implemented and validated in the LAMMPS MD simulator, however, these algorithms can be applied to other MD simulators. We assessed our algorithms on different and diverse benchmarks in both microcanonical ensemble (NVE) and canonical (NVT) ensembles. In the NVE ensemble, ARMD allows users to trade between precision and speed while, in the NVT ensemble, it makes it possible to compute statistical averages faster. In Last, we introduce parallel algorithms for single-pass incremental force computations to take advantage of adaptive restraints using the Message Passage Interface (MPI) standard