LKlight：Rust 高性能 LightDock 引擎 —— 技术规格与基准测试

1引擎家族与交付

同一套 GSO 与打分模型的三档产物；切换只影响“用哪块硬件、多快算完”，不影响“算什么、多准”。

macOS（Apple Silicon）无 NVIDIA 硬件，故 GPU 档仅提供 Windows / Linux 产物。

2加速原理

加速只改写“求和顺序与执行硬件”，原子对覆盖与物理模型不变。

2.1 打分分解（grid）

• 近距 ≤10 Å：受体原子建 10 Å 均匀 cell，27 邻域窗口枚举全部 ≤10 Å 原子对——clamp 静电、LJ、clash 罚逐对精确计算，原子对集合与 LKlight v1.1.0一致（nearcell 枚举正确性有“对集 == 全对扫描”随机单测背书）。
• 远距 10–30 Å：10 Å 外静电 clamp 永不触发 → Coulomb 可线性分解，先建受体 φ(x)=Σq/d² 的 1 Å 场，配体原子三线性采样；误差仅为场插值（结合位姿 ≤0.5%）。
• vdw 无远距项 → cell 全覆盖，与 LKlight v1.1.0逐位一致；cpydock 脱溶只依赖 ≤6.4 Å 最近原子（在 cell 窗口内）→ 无近似。

2.2 GPU 批量（gpu）

• 同一分解整体下沉 device：gridDim.y = 构象数；原子刚体变换在 kernel 内以 f64 完成（与宿主逐位一致）后转 f32。
• 每步只上传 N×7 pose 参数（替代 N×nl×3 全坐标；n=2000 时 303 MB → 112 KB），消除逐构象 CPU launch 同步开销。

2.3 约束 / 膜 / ANM

• restraints / 膜：界面残基标记在 cell 近距扫描内顺带收集 → 不再回退 30 Å 全对扫描；带约束 run 与 LKlight v1.1.0收敛一致（best/median 逐值相同）。GPU kernel 不返回标记 → 约束/膜场景 GPU 自动走 CPU cell 路径，结果等价。
• ANM：受体每步独立变形使静态场失效，按设计保留参考路径（保真优先）。

3数值契约

以 LKlight v1.1.0为真值的实测一致性（1AZP 蛋白-DNA、用户 RNA 大体系）。

4性能基准

数字均来自 2026-09-03 本机/服务器/Windows 实测（详见第 9 节数据文件），非外推（注明者除外）。

4.1 蛋白-DNA（1AZP）端到端

蛋白级小体系三引擎≈打平（每 swarm 固定框架开销 ~1.2 s 主导）；grid/GPU 收益需由构象数×步数放大（见 4.2–4.3）。

4.2 RNA 大体系（受体 8,218 + 配体 12,625 原子）

4.3 规模极限（RNA 大体系，50 步/列，秒）

LKlight v1.1.0线性增长（每增 1 构象/50 步约 +1.04 s）；grid 线性但斜率低一个量级；GPU 在 N=20→2000 仅 7.6→9.1 s 近乎水平——GPU 硬上限实测 N=10,000 可跑，常规安全线取 5,000。

对照 Python LightDock（参考实现）：同机单 swarm 100 步 × 200 构象实测 dfire 107.5×、vdw 18.8×、cpydock 14.2×、dna+ANM 13.0×（开发期同协议）；用户 RNA 任务 Python >2 h 超时， LKlight-grid ≈22 s 端到端。

512 评分函数矩阵

RNA 大体系单 swarm 20×100 步（Linux 实测；加速前=该函数在 LKlight v1.1.0语义下的耗时）。

GPU 档：批量加速目前仅作用于 dna；其余函数在 GPU 二进制内走与 grid 相同的 CPU 网格路径（输出逐字节一致）。注意：Linux 静态版（musl libm）对 pow 密集函数较慢，sd 实测 11.5 s vs glibc 版 1.28 s（结果一致）——sd 重度场景请用 glibc 构建。

6场景选型

7已知边界与差距（实测确认，不回避）

• 小体系打平：蛋白级任务三引擎≈相同（框架开销主导），GPU 甚至略慢于 CPU；加速收益须靠构象数×步数放大。
• GPU 批量仅加速 dna：其余 11 个函数在 GPU 版走 CPU grid 路径（结果一致，无 GPU 收益）——让 pydock/cpydock 上 GPU 是明确可做的下一步。
• macOS 无 NVIDIA：GPU 档仅 Windows/Linux；“—”为平台事实而非漏测。
• Linux 静态版 musl libm 的 pow 较慢：影响 sd 等 pow 密集函数（结果一致）；dna/vdw/cpydock 不受实质影响。
• LKlight v1.1.0大体系线性不可行：RNA 100 步外推 N=500 ≈18 min、N=1000 ≈35 min——逐对语义仅适合小体系校验。
• 算法上限（三档相同）：刚体近似、超长链配体几何病态、采样充分度——加速不改变搜索正确性上限。

8数据来源与复现