沐曦股份科學(xué)計算團隊近期取得突破性進展，成功將主流分子動力學(xué)模擬引擎GROMACS中的FEP計算全流程部署于GPU執(zhí)行，并實現(xiàn)2.5倍性能提升，相關(guān)成果獲得GROMACS官方團隊的高度認可，該GPU加速功能將在GROMACS 2026官方版本中正式發(fā)布，核心論文已發(fā)表于國際權(quán)威期刊 ACS Omega。同時，團隊自主研發(fā)的FEP工作流自動化管理工具MetaxFEP相關(guān)論文已正式發(fā)表在BIBE2025生物信息工程和生物醫(yī)學(xué)會議論文集中，并在ICBBS會議上榮獲分會最佳口頭報告獎。這些成果的取得，標志著國產(chǎn)GPU加速技術(shù)在計算機輔助藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域，已初步形成從算法優(yōu)化到工具開發(fā)、再到實際工作流支撐的完整技術(shù)鏈條，為行業(yè)提供了切實可行的高效計算解決方案。

計算機輔助藥物發(fā)現(xiàn)流程通常涵蓋多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括分子表征、靶標蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測、分子對接，以及基于動力學(xué)模擬的自由能預(yù)測等。其中，對配體-蛋白質(zhì)結(jié)合自由能的精準預(yù)測通常采用自由能微擾(Free Energy Perturbation, FEP)方法，通過分子動力學(xué)模擬加以實現(xiàn)。FEP方法憑借其在預(yù)測結(jié)合自由能方面的高精度，被廣泛視為藥物篩選流程中最終階段精細篩選與先導(dǎo)化合物優(yōu)化的“金標準”工具。

然而，傳統(tǒng)FEP應(yīng)用長期面臨兩大關(guān)鍵瓶頸：一是計算速度緩慢，龐大的計算需求導(dǎo)致模擬耗時過長，嚴重制約了藥物研發(fā)的迭代效率;二是操作流程復(fù)雜，涉及體系準備、拓撲生成、中間態(tài)窗口設(shè)置、平衡與采樣以及數(shù)據(jù)分析等多個步驟，手動操作不僅費時，且容易引入誤差。沐曦股份科學(xué)計算團隊近期開展的一系列研究工作，正是為了系統(tǒng)性地應(yīng)對上述挑戰(zhàn)。

GROMACS模擬引擎中FEP

計算的GPU加速研究

GROMACS是一款由瑞典皇家理工學(xué)院(KTH)開發(fā)的開源分子動力學(xué)模擬引擎。憑借出色的性能與完善的功能，它在全球范圍內(nèi)擁有大量活躍用戶，并常年位列世界各大超級計算機上使用最廣泛的前三大科學(xué)計算應(yīng)用之一。在制藥領(lǐng)域，GROMACS常被用于FEP計算，以預(yù)測分子間相互作用的自由能變化。然而，目前其官方版本中的FEP計算僅支持在CPU上運行，這嚴重限制了整體模擬效率。

針對這一瓶頸，沐曦股份科學(xué)計算團隊實現(xiàn)了FEP算法在GPU上的完整移植與優(yōu)化。該GPU加速版本能夠?qū)EP模擬全流程部署于GPU執(zhí)行，使整體性能提升至原版的2.5倍。此項工作獲得了GROMACS官方團隊的高度認可，相關(guān)代碼現(xiàn)已正式合入GROMACS官方代碼倉庫，計劃納入其2026年首版發(fā)布中。相關(guān)研究成果已發(fā)表于美國化學(xué)會旗下期刊 ACS Omega，全文開放獲取，歡迎感興趣的讀者查閱下載。

核心貢獻

GPU算法設(shè)計與優(yōu)化：開發(fā)了基于GPU的自由能微擾(FEP)作用力計算算法，并針對不同GPU硬件架構(gòu)進行了深度優(yōu)化，包括任務(wù)劃分邏輯、數(shù)據(jù)交換機制與內(nèi)存排布策略等，充分發(fā)揮GPU并行計算效能。

全流程GPU化實現(xiàn)：在完成FEP作用力計算加速的基礎(chǔ)上，進一步將積分與狀態(tài)更新等關(guān)鍵步驟移植至GPU，實現(xiàn)了FEP模擬全流程的GPU運行，大幅減少了CPU與GPU之間的數(shù)據(jù)傳輸開銷，使整體性能達到原版的2.5倍。

計算精度嚴格驗證：優(yōu)化后的代碼通過了多階段嚴謹驗證，在多個測試數(shù)據(jù)集上的計算結(jié)果均達到化學(xué)精度(誤差<2.0 kcal/mol)，有力保障了模擬結(jié)果的可靠性與科學(xué)性。

MetaxFEP: 基于沐曦股份GPU的FEP

工作流自動化管理工具

沐曦股份科學(xué)計算團隊自研的MetaxFEP工具可以實現(xiàn)自動化高效的FEP流程構(gòu)建、執(zhí)行和管理。MetaxFEP 針對性地解決了FEP研究領(lǐng)域存在的可復(fù)現(xiàn)性和易用性問題。用戶僅需提供目標蛋白結(jié)構(gòu)和配體分子的文件，MetaxFEP 即可智能解析并自動構(gòu)建完整的FEP計算工作流，涵蓋從預(yù)處理到結(jié)果分析的所有必要環(huán)節(jié)。同時，整個工作流在沐曦GPU上執(zhí)行，實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)準備到核心計算的全流程GPU深度加速。最終，平臺會精準預(yù)測目標蛋白與配體間的結(jié)合自由能變化，并將可靠的計算結(jié)果以清晰易用的CSV格式文件輸出。

MetaxFEP的計算可靠性和卓越性能已通過嚴謹?shù)幕鶞蕼y試得到充分驗證。其預(yù)測結(jié)果與實驗測量值之間的誤差小于2.0 kcal/mol，達到化學(xué)精度;同時，測試得到的Pearson秩相關(guān)系數(shù)(R2)大于0.6，有效證明了其出色的排序能力。在性能方面，憑借著前文中介紹的FEP計算的全程GPU優(yōu)化，MetaxFEP 展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。在單張沐曦曦云C500 GPU上執(zhí)行FEP計算，其速度可達到128核CPU服務(wù)器的3倍以上。當擴展到配備8張曦云C500 GPU的高性能服務(wù)器時，完成一組典型的蛋白質(zhì)-配體自由能計算任務(wù)所需時間大幅縮短至僅約10小時。相較于同等規(guī)模的128核CPU計算資源，整體效率提升高達17倍，從而極大加速了藥物研發(fā)周期。

MetaxFEP相關(guān)論文發(fā)表在BIBE2025生物信息工程和生物醫(yī)學(xué)會議論文集中。在BIBE2025和ICBBS2025會議上，沐曦股份科學(xué)計算團隊向行業(yè)專家和學(xué)者做了MetaxFEP的學(xué)術(shù)報告，并在ICBBS會議中獲得分會最佳口頭報告獎項。

以上工作均是沐曦股份“AI for Drug Discovery (AI4DD)”計算平臺構(gòu)建中的關(guān)鍵組成部分。沐曦股份致力于打造一條完整、高效、由AI驅(qū)動并全面GPU加速的藥物研發(fā)工作流。該平臺深度整合傳統(tǒng)計算工具與前沿AI模型，為用戶提供高性能、一體化研發(fā)解決方案，實現(xiàn)從靶點發(fā)現(xiàn)到先導(dǎo)化合物優(yōu)化的全流程加速。

關(guān)于沐曦股份

沐曦股份致力于自主研發(fā)全棧高性能GPU芯片及計算平臺，為智算、通用計算、云渲染等前沿領(lǐng)域提供高能效、高通用性的算力支撐，助力數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展。