La Dinamica Molecolare e' un metodo computazionale basato sulla simulazione di piccoli, medi e grandi sistemi microscopici, ed offre un valido contributo alla soluzione di problemi fisici ed alla loro interpretazione. E' il tramite tra i dettagli microscopici di un sistema (masse atomiche, geometria molecolare, interazioni atomiche, etc.) e quelli macroscopici di interesse sperimentale (equazioni di stato, proprieta' chimico-fisiche, parametri strutturali, etc.). Infine puo' essere considerata un valido test delle teorie formulate a spiegazione di fenomeni naturali e puo', con i suoi risultati, discriminare tra approcci teorici plausibili e non plausibili. Il metodo si basa sul rappresentare nel tempo il moto dei nuclei componenti il sistema, risolvendo le equazioni del moto di Newton. Fino a pochi anni or sono, la simulazione al calcolatore dei moti interni alle molecole era possibile solo per tempi brevi, data la insufficiente potenza elaborativa dei calcolatori tradizionali. Al fine di contenere entro limiti ragionevoli i tempi di elaborazione, venivano utilizzati potenziali intramolecolari particolarmente semplificati, tali cioe' da permettere valutazioni molto veloci dell'energia potenziale e delle forze agenti sugli atomi. Accanto alle semplificazioni di tipo matematico e numerico, era necessario accettare anche semplificazioni del modello fisico. Ad esempio, venivano quasi del tutto ignorate le interazioni fra la molecola in esame e il suo intorno anche nei casi in cui a priori si sapeva che molte delle caratteristiche del sistema in esame dipendevano specificamente dal tipo ed estensione delle interazioni che esso era in grado di stabilire, ad esempio, con il solvente. L'avvento delle macchine ad architettura parallela ha sostanzialmente mutato il quadro entro cui operano i ricercatori in questo settore, aprendo la possibilita' di condurre anche su sistemi di interesse non solo modellistico, simulazioni "globali". Nel contesto di questa problematica generale si inserisce lo specifico problema aperto che ha motivato il progetto DIMOL. Tale progetto prevede l'utilizzo di algoritmi gia' largamente utilizzati in programmi sequenziali, e cioe' scritti per operare su un singolo elaboratore, e di cui e' prevista la riscrittura in forma parallela.

Realizzazione di un nuovo programma (DIMOL) di meccanica e dinamica molecolare capace di sfruttare il parallelismo intrinseco dovuto alla natura specifica degli algoritmi impiegati; raggiungimento di elevati valori di speed-up su Exemplar (un elaboratore a 32 cpu con memoria condivisa), e su Meta (un cluster di 4 Work Station con la tipica memoria distribuita ).

Il progetto prevede che il programma sia strutturato in modo che l'utilizzo sia quasi immediato, e quindi adatto ad utilizzatori non " totalmente informatici". I potenziali utenti di DIMOL sono chimici, biochimici, chimici farmaceutici, biotecnologi, biologi e in generale tutti coloro che sono interessati allo studio di sistemi proteici, della loro struttura, attivita' ed interazione sia con piccole molecole (farmaci) che con acidi nucleici.

L'attivita' si articola nelle seguenti fasi:

• Installazione e ottimizzazione delle parti scalari di DIMOL su CPU HP9000/735. I1 sorgente Fortran di DIMOL e' stato derivato da una versione largamente rimaneggiata, del codice GROMOS ( Van Gunsteren, Zurigo luglio 1993). Le modifiche principali sono state:
  
  • Aggiunta di forme di potenziale per gli stiramenti di legame diversi da quelli di tipo parabolico.
    
  • Estensione del potenziale di tipo torsionale.
    
  • Inclusione di termini esponenziali (attrattivi e repulsivi) per le interazioni di non legame. La attuale versione di DIMOL operativa su macchine Silicon Graphics non usa nessuna routine della libreria VECLIB, disponibili su Convex o Exemplar. L'ottimizzazione della parte scalare del codice riguardera' appunto l'uso di librerie ottimizzate in ambiente Convex-HP.
    
• La parallelizzazione delle parti di calcolo in cui e' evidente un parallelismo intrinseco dell'algoritmo. Occorre ricordare che la funzione potenziale impiegata in DIMOL e' essenzialmente costruita su interazioni a 2-, 3- e 4-corpi (atomi). Per una molecola contenente N atomi, il numero delle possibile interazioni, proporzionale alla quarta potenza di N, sarebbe cosi' elevato da rendere non praticabile alcun calcolo su molecole di qualche centinaio o migliaio di atomi. Il problema e' parzialmente risolto dall'introdutione del concetto di "campo di valenza", cioe' dell'approssimazione che riduce le interazioni quasi esclusivamente a gruppi di atomi contigui. Cosi', i termini a 2-corpi si applicano solo a coppie di atomi legati, quelli a 3-corpi a terne di atomi contigui che definiscono un angolo di valenza e quelli a 4-corpi a quaterne di atomi contigui che definiscono angoli diedri. Al "campo di valenza" si devono pero' sovrapporre termini di "non legame" che operano su tutte le coppie di atomi non direttamente legati. Il numero di tali termini (proprozionale alla seconda potenza di N) rappresenta la parte piu' onerosa in termini di calcolo. La ricerca del numero delle coppie di non-legame, il calcolo della loro geometria, contributo alla energia potenziale e alle forze agenti sugli atomi e' pero' un problema intrinsecamnete parallelizzabile, essendo ogni passo dipendente solo da una coppia di atomi alla volta. Le strategie particolari di parallelizzazione verranno studiate in relazione alle specificita' delle architetture di Examplar e Meta.
  
• Completamento del programma anche in alcune parti accessorie quali quelle che gestiscono l'output. Tali parti del programma, nel contesto di studi di grandi molecole, devono infatti essere pensate come direttamente interfacciate a supporti di visualizzazione grafica, essendo un output puramente numerico del tutto ingestibile data l'enorme mole di dati. Si prevede di utilizzare il sistema grafico AVS come interfaccia grafica fra DIMOL e l'utente.

Enti partecipanti	Dipartimento di Chimica Inorganica Metallorganica ed Analitica, Universita' degli Studi di Milano
Persone Partecipanti	Prof .P. Fantucci, Dipartimento di Chimica Inorganica Metallorganica ed Analitica, Universita' degli Studi di Milano, Responsabile Scientifico del progetto Dr. R. Barbieri, Laureato in Chimica, Dipartimento di Chimica Inorganica Metallorganica ed Analitica, Universita' degli Studi di Milano.
Risorse hardware	Elaboratore CONVEX EXEMPLAR SPP 1200/XA installato presso CILEA Elaboratore CONVEX MPP HP 735 installato presso CILEA
Risorse software	GROMOS
Date del progetto	Inizio: 1996 Fine : 1997