In drug development, molecular docking methods aim at characterizing the binding of a drug-like molecule to a protein. In a typical drug development process, a docking task is repeated millions of time, which makes optimization efforts essential. In particular, modern heterogeneous architectures, such as GPUs, allow for significant acceleration opportunities. AutoDock-GPU, a state-of-the-art GPU-accelerated molecular docking software, estimates the geometrical conformation of a docked ligand-protein complex by minimizing an energy-based scoring function. Our profiling results indicated that a reduction operation, which is performed several millions times in a single docking run, limits performance in AutoDock-GPU. Thus, we proposed a method to accelerate the block-level sum reduction of four-element vectors by using matrix operations. We implemented our method to make use of the high throughput capabilities offered by NVIDIA Tensor Cores to perform matrix operations. We evaluated our approach by designing a simple benchmark, and achieved a 4 to 7-fold runtime improvement compared to the original method. We then integrated our reduction operation into AutoDock-GPU and evaluated it on multiple chemical complexes on three GPUs. This evaluation allowed to assess the possibility to use half-precision reduction operations in parts of AutoDock-GPU code, without detrimental effects on the simulation result. In addition, our implementation achieved an average 27% improvement on the overall docking time during a real-world docking run.

Vid läkemedelsutveckling syftar molekylär dockningsmetoder till att karakterisera bindningen av en läkemedelsliknande molekyl till ett protein. I en typisk läkemedelsutvecklingsprocess upprepas en dockinguppgift miljontals gånger, vilket gör optimeringsinsatser nödvändiga. Framför allt moderna heterogena arkitekturer som GPU:er ger betydande accelerationsmöjligheter. AutoDock-GPU, en modern GPU-accelererad programvara för molekylär dockning, uppskattar den geometriska konformationen hos ett ligand-protein-komplex genom att minimera en energibaserad poängsättningsfunktion. Våra profileringsresultat visade att en reduktionsoperation, som utförs flera miljoner gånger i en enda dockningskörning, begränsar prestandan i AutoDock-GPU. Vi har därför föreslagit en metod för att accelerera summareduktionen på blocknivå av vektorer med fyra element med hjälp av matrisoperationer. Vi implementerade vår metod för att utnyttja den höga genomströmningskapacitet som erbjuds av NVIDIA Tensor Cores för att utföra matrisoperationer. Vi utvärderade vårt tillvägagångssätt genom att utforma ett enkelt testfall och uppnådde en 4- till 7-faldig förbättring av körtiden jämfört med den ursprungliga metoden. Vi integrerade sedan vår reduktionsoperation i AutoDock-GPU och utvärderade den på flera kemiska komplex på tre GPU:er. Denna utvärdering lät oss bedöma möjligheten att använda reduktionsoperationer med halvprecision i delar av AutoDock-GPU-koden, utan negativa effekter på simuleringsresultatet. Dessutom uppnådde vår version en genomsnittlig förbättring på 27% av den totala dockningstiden under en riktig dockningskörning.