文章來源：“分子動(dòng)力學(xué)”公眾號(hào)

鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/VcazPnWDNDIOorShWtKWbA

本部分大致介紹了LAMMPS的一些功能和缺陷

1、什么是LAMMPS?；LAMMPS是一個(gè)經(jīng)典的分子動(dòng)力學(xué)軟件；LAMMPS是一可以修改和擴(kuò)展的計(jì)算程序
2、LAMMPS的功能；總體功能；可以串行和并行計(jì)算；分布式MPI策略；模擬空間的分解并行機(jī)制

一、簡(jiǎn)介

1、什么是LAMMPS

LAMMPS是一個(gè)經(jīng)典的分子動(dòng)力學(xué)代碼，可以模擬液體中的粒子，固體和汽體的系綜。也可以采用不同的力場(chǎng)和邊界條件來模擬全原子，聚合物，生物，金屬，粒狀和粗料化體系。LAMMPS可以計(jì)算的體系小至幾個(gè)粒子，大到上百萬甚至是上億個(gè)粒子。LAMMPS可以在單個(gè)處理器的臺(tái)式機(jī)和筆記本本上運(yùn)行且有較高的計(jì)算效率，但是它是專門為并行計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的。他可以在任何一個(gè)安裝了C++編譯器和MPI的平臺(tái)上運(yùn)算，這其中當(dāng)然包括分布式和共享式并行機(jī)和Beowulf型的集群機(jī)。

LAMMPS是一可以修改和擴(kuò)展的計(jì)算程序，比如，可以加上一些新的力場(chǎng)，原子模型，邊界條件和診斷功能等。

通常意義上來講，LAMMPS是根據(jù)不同的邊界條件和初始條件對(duì)通過短程和長(zhǎng)程力相互作用的分子，原子和宏觀粒子集合對(duì)它們的牛頓運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行積分。高效率計(jì)算的LAMMPS通過采用相鄰清單來跟蹤他們鄰近的粒子。這些清單是根據(jù)粒子間的短程互拆力的大小進(jìn)行優(yōu)化過的，目的是防止局部粒子密度過高。在并行機(jī)上，LAMMPS采用的是空間分解技術(shù)來分配模擬的區(qū)域，把整個(gè)模擬空間分成較小的三維小空間，其中每一個(gè)小空間可以分配在一個(gè)處理器上。各個(gè)處理器之間相互通信并且存儲(chǔ)每一個(gè)小空間邊界上的”ghost”原子的信息。LAMMPS(并行情況)在模擬3維矩形盒子并且具有近均一密度的體系時(shí)效率最高。

2、LAMMPS的功能

總體功能：

可以串行和并行計(jì)算

分布式MPI策略

模擬空間的分解并行機(jī)制

開源

高移植性C++語言編寫

MPI和單處理器串行FFT的可選性（自定義）

可以方便的為之?dāng)U展上新特征和功能

只需一個(gè)輸入腳本就可運(yùn)行有定義和使用變量和方程完備語法規(guī)則

在運(yùn)行過程中循環(huán)的控制都有嚴(yán)格的規(guī)則

只要一個(gè)輸入腳本式就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)模擬任務(wù)

粒子和模擬的類型：

（atom style命令）

原子

粗粒化粒子

全原子聚合物，有機(jī)分子，蛋白質(zhì)，DNA

聯(lián)合原子聚合物或有機(jī)分子

金屬

粒子材料

粗粒化介觀模型

延伸球形與橢圓形粒子

點(diǎn)偶極粒子

剛性粒子

所有上面的雜化類型

力場(chǎng)：

（命令：pair style, bond style, angle style, dihedral style, improper style, kspace style） 對(duì)相互作用勢(shì)：L-J, Buckingham, Morse, Yukawa, soft, class2(COMPASS), tabulated. 帶點(diǎn)對(duì)相互作用勢(shì)：Coulombic, point-dipole.

多體作用勢(shì)：EAM, Finnis/Sinclair EAM, modified EAM(MEAM), Stillinger-Weber, Tersoff, AIREBO, ReaxFF

粗粒化作用勢(shì)：DPD, GayBerne, Resquared, Colloidal, DLVO

介觀作用勢(shì)：granular, Peridynamics

鍵勢(shì)能：harmonic, FENE, Morse, nonlinear, class2, quartic

鍵角勢(shì)能：harmonic, CHARMM, cosine, cosine/squared, class2(COMPASS)

二面角勢(shì)能：harmonic, CHARMM, multi-harmonic, helix, OPLS, class2(COMPASS) 不合理勢(shì)能：harmonic, CVFF, class2(COMPASS)

聚合物勢(shì)能：all-atom, united-atom, bead-spring, breakable

水勢(shì)能：TIP3P，TIP4P，SPC

隱式溶劑勢(shì)能：hydrodynamic lubrication, Debye

長(zhǎng)程庫(kù)倫與分散：Ewald, PPPM, Ewald/N(針對(duì)長(zhǎng)程L-J作用)

可以有與普適化力場(chǎng)如CHARMM，AMBER，OPLS，GROMACS相兼容的力場(chǎng) 可以采用GPU加速的成對(duì)類型

雜化勢(shì)能函數(shù)：multiple pair, bond, angle, dihedral, improper potentials(多對(duì)勢(shì)能處于更高的優(yōu)先級(jí))

原子創(chuàng)建：

（命令：read_data, lattice, create-atoms, delete-atoms, displace-atoms, replicate） 從文件中讀入各個(gè)原子的坐標(biāo)

在一個(gè)或多個(gè)晶格中創(chuàng)建原子

刪除幾何或邏輯原子基團(tuán)

復(fù)制已存在的原子多次

替換原子

系綜，約束條件，邊界條件：

（命令：fix）

二維和三維體系

正角或非正角模擬空間

常NVE，NVT，NPT，NPH積分器

原子基團(tuán)與幾何區(qū)域可選擇不同的溫度控制器

有Nose/Hoover和Berendsen壓力控制器來控制體系的壓力（任一維度上）

模擬合子的變形（扭曲與剪切）

簡(jiǎn)諧（unbrella）束縛力

剛體約束

搖擺鍵與鍵角約束

各種邊界環(huán)境

非平衡分子動(dòng)力學(xué)NEMD

各種附加邊界條件和約束

積分器：

Velocity-verlet積分器

Brown積分器

rRESPA繼承時(shí)間延化積分器

剛體積分器

共軛梯度或最束下降算法能量最小化器

輸出：

（命令：dump, restart）

熱力學(xué)信息日志

原子坐標(biāo)，速度和其它原子量信息的文本dump文件

二進(jìn)制重啟文件

各原子量包括：能量，壓力，中心對(duì)稱參數(shù)，CAN等

用戶自定義系統(tǒng)寬度或各原子的計(jì)算信息

每個(gè)原子的時(shí)間與空間平均

系統(tǒng)寬量的時(shí)間平均

原子圖像，XYZ，XTC，DCD，CFG格式

數(shù)據(jù)的前處理與后處理：

包里提供了一系列的前處理與后處理工具

另外，可以使用獨(dú)立發(fā)行的工具組pizza.py, 它可以進(jìn)行LAMMPS模擬的設(shè)置，分

析，作圖和可視化工作。

特別功能：

實(shí)時(shí)的可視化與交互式MD模擬

與有限元方法結(jié)合進(jìn)行原子-連續(xù)體模擬

在POEMS庫(kù)中提供了剛體積分工具

并行退火

并行復(fù)制動(dòng)力學(xué)

對(duì)低密度液體直接使用MC模擬

Peridynamic介觀建模

目標(biāo)型與無目標(biāo)型分子動(dòng)力學(xué)

雙溫度電子模型

LAMMPS不具備的功能：

由于LAMMPS是對(duì)牛頓運(yùn)動(dòng)方程積分的工具，所以很多必要的數(shù)據(jù)前處理與后處理功能是LAMMPS核心不具備的。其原因?yàn)?#xff1a;

保證LAMMPS的小巧性

前處理與后處理不能進(jìn)行并行運(yùn)算

這些功能可以由其它工具來完成

原代碼開發(fā)的局限性

特別地，LAMMPS不能：

通過圖形用戶界面來工作

創(chuàng)建分子體系

自動(dòng)的加上力場(chǎng)系數(shù)

為MD模擬提供智能化的數(shù)據(jù)分析

MD的可視化為輸出數(shù)據(jù)作圖

我們需要為L(zhǎng)AMMPS輸入一系列的原子類型，原子坐標(biāo)，分子拓樸信息和所有原子與鍵的力場(chǎng)參數(shù)。LAMMPS不會(huì)自動(dòng)的為我們創(chuàng)建分子體系與力場(chǎng)參數(shù)。對(duì)于原子體系，LAMMPS提供了creat-atoms命令來為固態(tài)晶格加上原子。可以通過pair coeff,bond coeff, angle coeff等命令來加上小數(shù)目的力場(chǎng)參數(shù)。

對(duì)于分子體系或更復(fù)雜的模擬體系，我們通常會(huì)用其它工具來創(chuàng)建或者是轉(zhuǎn)換LAMMPS輸出文件來做到這些事情。有的還會(huì)寫一些自已的代碼來完成這項(xiàng)任務(wù)。

對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的分子體系（如，蛋白質(zhì)），我們需要為之提供上面?zhèn)€拓樸信息與力場(chǎng)參數(shù)。所以我們建議用CHARMM或AMBER或其它的分子建模器來完成這些任務(wù)，并把之輸?shù)揭粋€(gè)文件中去。然后，改變其格式以達(dá)到LAMMPS所允許的輸入格式。

同樣，LAMMPS的輸出文件是一種簡(jiǎn)單的文本格式，我們也可以通過其它的工具來完成。

我們可以用以下幾個(gè)軟件來完成高質(zhì)量的可視工作：

VMD

AtomEye

Pymol

Raster3d

RasMol

最后要說一下的是，以下這些也是自由分子動(dòng)力學(xué)包，它們大多數(shù)是并行的，可能也適合來完成你的研究工作，當(dāng)然也可以與LAMMPS聯(lián)合起來使用以完成模擬工作。CHARMM

AMBER

NAMD

NWCHEM

DL_POLY

Tinker

CHARMM，AMBER，NAMD，NWCHEM，Tinker是專門用于模擬生物分子的。

二、開始

本部分主要描述如何創(chuàng)建和運(yùn)行LAMMPS。

1、 在LAMMPS發(fā)行包中含有：

README

LICENSE

Bench：測(cè)試任務(wù)

Doc：文本

Examples：簡(jiǎn)單的測(cè)試任務(wù)

Potentials：嵌入原子方法與力場(chǎng)文件

Src：源代碼

Tools: 前處理與后處理工具

假如你下載的是windows可執(zhí)行文件的話，你里面只有一個(gè)文件（并行與非并行兩種） Lmp-windows.exe

2. 編譯LAMMPS

之前的工作：

編譯LAMMPS不是一個(gè)繁瑣的工作。首先你可能要寫一個(gè)makefile文件，里面要選擇編譯器，附加的一些將要用到的庫(kù)等。事先裝上MPI或FFT等庫(kù)。

編譯出一個(gè)可執(zhí)行LAMMPS：

在SRC目錄里頭含有C++源文件和頭文件。當(dāng)然也包括一個(gè)高水平的Makefile，在MAKE目錄里頭有幾個(gè)低水平的Makefile.*files分別適有不同的平臺(tái)。進(jìn)入SRC目錄，輸入make或gmake，你將會(huì)看到一列的可選項(xiàng)。假如其中有一種符合你的機(jī)器，你可以輸入像下面一樣的命令：

Make linux

Gmake mac

注意，在一個(gè)多處理器或多核處理器的平臺(tái)上你可以進(jìn)行平行編譯，在make命令中使用“-j”選項(xiàng)就可以，這樣編譯起來會(huì)更快一些。

在此過程中不發(fā)生錯(cuò)誤的話，你可以得到一個(gè)類似于lmp-linux的可執(zhí)行文件。

在編譯過程當(dāng)中將會(huì)發(fā)生的常見錯(cuò)誤：

（1） 如果編譯過程當(dāng)中發(fā)生錯(cuò)誤，并提示不能找到一個(gè)含有通配符*為名的文件的話，說明你機(jī)器上的make器允許makefile中使用通配符。那就嘗試使用gmake。如還不行的話，就試試加入-f選項(xiàng)，用Makefile.list作為make對(duì)像。如：Make makelist

Make –f makefile.list linux

Gmake –f makefile.lst mac

（2）當(dāng)你使用低水平的makefile時(shí)，可能由于對(duì)機(jī)器的設(shè)置不正確，會(huì)導(dǎo)致一些錯(cuò)誤。假如你的平臺(tái)叫“foo”,的話，你將要在MAKE目錄中創(chuàng)建一個(gè)Makefile.foo。使用任何一個(gè)與你機(jī)器相近的文件作為開始總是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

（3）如你在鏈接的時(shí)候出現(xiàn)庫(kù)丟失或少了依賴關(guān)系的話，可能是由于：你編譯的包需要一個(gè)附加的庫(kù)，但卻沒有事先編譯需要的package libaray。你要鏈接的庫(kù)在你的系統(tǒng)中不存在。沒有連接到必要的系統(tǒng)庫(kù)后兩種問題出現(xiàn)，你就需要修改你的低水平makefile.foo。

編輯一個(gè)新的低水平makefile.foo：

（1） 在#后的句子中，替換foo，不論你寫成什么，這一行將會(huì)出現(xiàn)在屏幕上，如果你只輸入make命令的話。

（2） 在“complier/linker settings”部分為你的C++編譯器列出編譯器與鏈接器的設(shè)置，包括優(yōu)化符號(hào)。你可以在任何UNIX系統(tǒng)中使用G++編譯器。當(dāng)然你也可以用MPICC，如果你的系統(tǒng)中安裝了MPI的話。如果在編譯過程當(dāng)中需要附加的庫(kù)，你需在LIB變量中列出來。DEPFLAGS設(shè)置可以讓C++編譯器創(chuàng)建一個(gè)源文件的依賴關(guān)系列表，當(dāng)源文件或頭文件改變的時(shí)候可以加快編譯速度。有些編譯器不能創(chuàng)建依賴關(guān)系列表，或者你可以用選項(xiàng)—D來實(shí)現(xiàn)。G++可以使用-D。如果你的編譯器不能創(chuàng)建依賴關(guān)系文件的話，那么你就需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)Makefile.foo來與Makefile.storm（它用一系列的不需要依賴文件的規(guī)劃）相對(duì)應(yīng)。

（3）“system-specific settings”部分有四個(gè)小部分：A LMP—INC變量，包括一些與系統(tǒng)相關(guān)的條件選項(xiàng)。B 3個(gè)MPI變量用于指定MPI庫(kù)。

如你要進(jìn)行并行計(jì)算的話，那么你必須在你的平臺(tái)上安上MPI庫(kù)。如你想用MPI內(nèi)置C++編譯器的話，你可以讓這三個(gè)變量空著，如你不用MPICC的話，那么，你要指定MPI.h(MPI_INC)文件在哪，MPI(MPI_PATH)庫(kù)在哪，還有庫(kù)名(MPI_LIB)。

如果你想自已安裝MPI的話，我們建議用MPICH1.2或2.0。LAM MPI也可以。如你用LAM或MPICH，你必須要設(shè)置他并編譯他使之適合你的平臺(tái)。

如果你想在單處理器的機(jī)器上運(yùn)行的話，你可以用STIBS庫(kù)，這樣你就可以不用在你的系統(tǒng)中安裝MPI庫(kù)。仿照makefile.serial，看是如果設(shè)置這三個(gè)變量的。當(dāng)然你在編譯LAMMPS之前你必須創(chuàng)建STUBS庫(kù)。在STUBS目錄中，輸入make，不出錯(cuò)的話你將會(huì)得到一個(gè)libmpi.a文件可供鏈接到LAMMPS。當(dāng)出錯(cuò)，你則要修改STUBS下的MAKEFILE。

STUBS/MPI.CPP有一個(gè)CPU計(jì)時(shí)器MPI_Wtime()可以調(diào)用gettimeofday(). 如你的系統(tǒng)不支持gettimeofday()，則你就要插入一句代碼來調(diào)用另一個(gè)計(jì)時(shí)器，要注意的是，clock()函數(shù)在一個(gè)小時(shí)之后會(huì)歸0，所以對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的LAMMPS模擬來說這是不夠用的。

C FTT變量用于指定FFT庫(kù)，當(dāng)要用到kspace-style命令來計(jì)算長(zhǎng)程庫(kù)倫作用時(shí)使用PPPM選項(xiàng)時(shí)要用到。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的入门必备-经典的分子动力学软件LAMMPS简版手册的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。