計算化学・量子化学・分子シミュレーション

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HPCアプリケーション

計算化学・量子化学・分子シミュレーション

Gaussian社開発のデファクト・スタンダード量子化学計算プログラム
Gaussian
Gaussianは量子化学計算のデファクト・スタンダードといわれる、米Gaussian社の電子構造モデリングの先端技術を持った量子化学計算プログラムです。実験データから導き出される経験的パラメーターを一切用いない非経験的(ab initio)分子軌道法(MO法)の普及の功績により1998年にノーベル化学賞を受賞したJ. A. Popleらによって開発されました。
http://www.gaussian.com/
無償提供の原子、分子の非経験的分子軌道法・密度汎関数理論計算プログラム
GAMESS
GAMESSはGaussianと並び広く利用されている、Hartree-Fock(HF)近似を基礎とした原子・分子の非経験的分子軌道法(MO法)・密度汎関数理論(DFT)計算プログラムです。RHF、ROHF、UHF、GVB、MCSCFなど自己無撞着場(SCF)波動関数および、SCF波動関数に対する配置間相互作用(CI)法、2次の摂動論、結合クラスター(CC)法による電子相関の補正やDFTなどを含む計算が可能な量子化学計算プログラムです。米アイオワ州立大学のGordon研究グループ、大阪府立大学の小関研究グループらによって開発および無償配布が行われています。
http://www.msg.chem.iastate.edu/gamess/index.html
分子内電子構造計算に必要なシステム一式を含んだ非経験的分子軌道計算プログラム
Molpro
Molproは英カーディフ大学のP. Knowles、独シュトゥットガルト大学のH.-J. Wernerら多くの貢献者が開発している非経験的分子軌道(MO)計算プログラムです。分子内電子構造の計算に必要なシステム一式が含まれています。配置間相互作用(CI)法、クラスター展開法、多配置SCF法、多配置参照摂動法など電子相関の取り扱いに関する広範囲な計算機能を含んでいます。従来の計算手法では分子サイズに応じて計算コストが急激に増大するため、小さな分子にのみ適用されてきましたが、Molproではより大きな分子も取り扱うことができます。
https://www.molpro.net/
生体高分子のシミュレーションに威力を発揮する無償の分子動力学計算プログラム
NAMD
NAMDは米イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のTheoretical and Computational Biophysics Group (TCB)とParallel Programming Laboratory (PPL)との共同研究により開発が進んでいる、無償で入手可能な分子動力学(MD)シミュレーションプログラムです。多くの機能を追加し、数千プロセッサーまでスケーリングされる並列効率の高さで知られ、大規模な系(数百万の原子)のシミュレーションが可能です。プリポストプログラムVMDと連携することでインタラクティブな分子動力学シミュレーションも可能です。
http://www.ks.uiuc.edu/Research/namd/
大規模計算化学の問題を効率的に扱うオープンソース計算化学プログラム
NWChem
NWChemは大規模計算化学の問題を効率的に扱うオープンソース計算化学プログラムです。化学的変換の力学、界面や凝縮相の化学の研究を行うために、米パシフィック・ノースウェスト国立研究所(PNNL)のEnvironment Molecular Science Laboratory(EMSL)で開発しています。数10TFLOPSの演算性能を持つ数千プロセッサーまでスケーリングされる並列効率の高さで知られています。大規模な系、例えば生体高分子、ナノ構造物質、固体が対象となります。古典力学・量子力学での取り扱いが可能で、相対論的効果を含めることも可能です。
http://www.nwchem-sw.org/index.php/Main_Page
安価で使いやすい教育用途向け分子モデリング計算化学プログラム
Spartan
Spartanは、化学の研究用、教育用の分子モデリングプログラムと関連する書籍を提供している米Wavefunction社が開発している分子モデリングおよび計算化学プログラムです。今まで説明しにくかった原子・分子レベルの振る舞いを、立体的に可視化することで授業をわかりやすくすることができます。分子力場、半経験的分子軌道法(MO)、Hartree-Fock近似、密度汎関数(DFT)法、Møller-Plesset、熱化学的レシピ、高次の電子相関までの計算手法を用意しています。シンプルなGUIから手軽にパワフルな計算を実行できる環境を提供しています。最新版Spartan’16はWindows版とMac版がリリースされています。
http://www.wavefun.com/japan/
地球最速のオープンソース分子動力学計算プログラム
GROMACS
GROMACSはオランダ・フローニンゲン大学で開発され、現在はスウェーデン・王立工科大学とウプサラ大学のGROMACS開発チームにより開発されている分子動力学(MD)計算プログラムです。地球上で最速のMD計算プログラムを目指しており、MPIあるいはスレッド、GPUでの効率のよい並列計算を用いて高速処理が可能です。フリーソフトウェアであり、GNU GPLライセンスに基づいて自由に改変可能であることも特徴です。生体高分子を対象としていますが、国内でも生命科学・医療、創薬分野にも適用事例が増えてきました。
http://www.gromacs.org/
生体分子系のシミュレーションのためのプログラム群
Amber
Amberは米カリフォルニア大学のP. A. Kollmanらのグループにより開発された、生体分子の分子動力学(MD)計算のための力場群であり、またこれらの力場をシミュレーションするためのMDプログラム群です。現在は、米ラトガース大学のD. A. Caseらによるグループにより維持・管理されています。プログラム群は、入力準備プログラム・シミュレーションプログラム・結果解析プログラムに大別されます。GPUのみならず、最新Xeon Phiプロセッサーにも最適化された最新版Amber16が2016年4月にリリースされました。
http://ambermd.org/
古典分子動力学計算のオープンソース分子動力学計算プログラム
LAMMPS
LAMMPSは米エネルギー省サンディア国立研究所のS. Plimptonらのグループにより開発された古典分子動力学(MD)計算プログラムです。金属や半導体などの固体、生体分子やポリマーなどのソフトマター、メゾスコピック系物質などに対応した多彩なポテンシャルが用意されています。開発当初はFortranでコーディングされていましたが、現在は、C++でコーディングされています。並列処理やGPU、Xeon Phiを利用して容易に高速化が可能です。フリーソフトウェアであり、GNU GPLライセンスに基づいて自由に改変可能であることも特徴です。
http://lammps.sandia.gov/
創薬研究のための実用的なフラグメント分子軌道法量子化学計算プログラム
PAICS
PAICSは長崎大学医歯薬学総合研究科石川岳志准教授によってC言語によるフルスクラッチで開発・維持をしている量子化学計算プログラムです。フラグメント分子軌道法(FMO法)を採用して、創薬研究の対象となる巨大生体分子をフラグメントと呼ばれる原子団に分解して並列処理することで巨大生体分子に対する量子化学計算が可能です。PAICSを用いた抗プリオン病化合物の開発に関する研究成果も出て、創薬研究への実用化が進んでいます。PAICSに使用する入力ファイル作成支援プログラムPaicsViewも同時に開発されています。
http://www.paics.net/index.html
米Certara社が開発した創薬研究のための分子モデリング環境
SYBYL®-X Suite
米Certara社が開発した分子モデリングソフトウェアです。欧米・日本国内の製薬関連企業・大学などで広く利用されています。低分子から生体高分子まで広範囲の分子を対象としたモデリングとシミュレーション、ケムインフォマティクスやリード識別、リード最適化まで一括して創薬研究の意思決定を助けます。解析プログラムで視覚化を行うことによる予測モデル作成、分子モデル作成のためのワークフローを簡素化するために設計されたユーザーインターフェースが好評です。
https://www.certara.com/software/molecular-modeling-and-simulation/sybyl-x-suite/
汎用古典分子動力学シミュレーションプログラム
DL_POLY
DL_POLYは英国科学技術施設会議(STFC)デアズベリー研究所のI. T. TodorovとW. Smithらによって開発された汎用古典分子動力学(MD)シミュレーションプログラムです。現在DL_POLY_4が提供されています。1CPUでの動作はもちろん、高性能並列計算機を利用することで高い並列効率で高速処理が可能です。ソースコード形式で提供され、シリアル用はもちろん、並列計算用実行プログラムを作成することもできます。アカデミックライセンスは、非営利の自然科学研究に取り組む大学等の研究者に限り無償で提供されます。
http://www.scd.stfc.ac.uk/SCD/44516.aspx
http://www.affinity-science.com/dl_poly/index.html
フラグメント分子軌道法に基づいた分子間相互作用解析プログラム
ABINIT-MP
ABINIT-MPは立教大学望月祐志教授らの研究グループにより開発されている、フラグメント分子軌道法(FMO法)を実装したプログラムです。創薬研究を意識した生体分子関係、例えばタンパク質、DNA、低分子化合物などの複合体を対象として、分子間相互作用を分子軌道(MO)計算に基づいて解析することができます。ABINIT-MPはFMO法に基づき、複合体をフラグメントと呼ばれる原子団に分割してMO計算を並列処理することで高速・高精度計算を実現しています。
http://moldb.nihs.go.jp/abinitmp/
非経験的分子軌道計算プログラム
MOLCAS
MOLCASはスウェーデン・ルンド大学にて開発された非経験的分子軌道(MO)計算プログラムです。分子系の基底状態や励起状態の一般的な電子構造問題について、高精度な非経験的手法を取り入れ、基底状態や励起状態の高精度な計算が可能です。特に励起状態のポテンシャルエネルギー面の計算に向いています。重原子を含んだ化学反応における励起状態や遷移状態についても取り扱うことができます。高速、高精度、頑強なコードとなっており、ブラックボックスではなく、ソースコードは購入者に対して公開されています。
http://www.molcas.org/
非経験的量子化学計算の統合プログラム
Q-Chem
Q-Chemは米Q-Chem社が開発した、分子の基底状態や励起状態の第一原理計算を可能にする統合プログラムです。分子構造、反応性、振動、電子、NMRスペクトルおよび溶媒和効果を高精度に予測するための非経験的量子化学計算が可能です。最新バージョンQ-Chem 4.4 では、高性能の密度汎関数理論(DFT)計算、Hartree-Fock(HF)計算から高水準のpost-HF相関法まで最先端の方法論が実装されています。またコンピュータ演算の運用効率が一段と高まっています。分子ビルダー、可視化ツールなどが統合されたIQmolグラフィックインターフェースも利用可能です。
http://www.q-chem.com/

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