SCI 期刊验证！苏黎世大学使用 ALINX FPGA 开发板实现分子动力学模拟新方案

2025-09-22

近日，苏黎世大学（University of Zurich）教授 Prof.Dr.Peter Hamm 在 SCI 期刊 The Journal of Chemical Physics 上发表论文《Toward an FPGA-based dedicated computer for molecular dynamics simulations》，详细介绍了一项利用 ALINX AX7201开发板 构建 高性能分子动力学（MD）专用计算机 的开创性研究。

研究证明，低成本 FPGA 集群能够有效应对计算化学领域长期存在的计算挑战，为科研人员提供了一种高性价比、高性能、高灵活性的分子动力学模拟新方案，让普通研究机构也能负担得起 MD 专用硬件，降低了科研门槛。

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（使用 ALINX AX7201 构建高性能分子动力学专用计算机）

AX7021 应用场景

研究者通过 27 块 ALINX AX7201 开发板构建了一个 3x3x3 的 MD 集群，每一块开发板都作为 MD 集群中一个独立的计算节点，共同构建了可扩展的分子动力学模拟系统。

选择 ALINX AX7201 的主要原因在于其极高的性价比和强大的互联功能：

核心FPGA：AX7201 搭载了 AMD Artix7 系列 FPGA 芯片 XC7A200T。片上集成了 33650 个逻辑切片、730 个片上 RAM 以及 740 个乘法器，尽管芯片的资源只有高端 FPGA 的 1/20，但它们经过专门配置，能够为每个节点提供高达 220 GFLOPS 的定点运算能力。
成本优势：27 块中端 FPGA 开发板的总成本远低于单一 ASIC 方案，性能却与之媲美甚至超越。且 FPGA 还具有可编程特性，使开发和调试过程更加便捷、经济。
高速互联能力：ALINX AX7201 提供了关键的互联接口，包括 4 个 4Gb/s 光纤接口和 4 个 1Gb/s 以太网接口。其中，6 个接口（4 个光接口和 2 个以太网接口）被用于实现节点间的 3D 环形拓扑互联，以处理 MD 模拟中的周期性边界条件。这种高速互联方式使 MD 算法的核心计算能够完全卸载到 FPGA 集群中，避免了主机计算机在节点间数据传输中成为性能瓶颈。

（ALINX 基于 AMD Artix7 FPGA 开发板 AX7021）

AX7021 应用效果

模拟速度：在 3×3×3、共 27 个节点的配置下，使用 2fs 的时间步长，系统实现了约 2.5μs/day 的模拟速度，该速度超过了文献中提到的目前最先进的 GPU 集群性能。
实际应用能力：研究人员使用该 FPGA 集群成功进行了过冷 Lennard-Jones 液体的成核模拟。总计长达 1.9μs 的模拟仅耗时约一天，且模拟结果与经典理论高度吻合。这一实践案例证明，基于 ALINX AX7201 的 FPGA 集群不仅在理论速度上有所突破，更能够有效解决复杂的科学问题。
能效优势：该集群的功耗相对较低，每个节点的功耗约为 9W，一个 27 节点的集群总功耗约为 250W 。这种为特定计算任务量身定制的硬件，其能耗效率预计高于通用的 GPU 集群。

原始论文信息: The Journal of Chemical Physics 162, 054108 (2025); doi: 10.1063/5.0248834

项目完整代码开源，Github：

https://github.com/pehammUZH/Towards-an-FPGA-Based-Dedicated-Computer-for-Molecular-Dynamics-Simulations

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