文章來源：“分子動力學”公眾號

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本部分大致介紹了LAMMPS的一些功能和缺陷

1、什么是LAMMPS?；LAMMPS是一個經典的分子動力學軟件；LAMMPS是一可以修改和擴展的計算程序
2、LAMMPS的功能；總體功能；可以串行和并行計算；分布式MPI策略；模擬空間的分解并行機制

一、簡介

1、什么是LAMMPS

LAMMPS是一個經典的分子動力學代碼，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可以計算的體系小至幾個粒子，大到上百萬甚至是上億個粒子。LAMMPS可以在單個處理器的臺式機和筆記本本上運行且有較高的計算效率，但是它是專門為并行計算機設計的。他可以在任何一個安裝了C++編譯器和MPI的平臺上運算，這其中當然包括分布式和共享式并行機和Beowulf型的集群機。

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

通常意義上來講，LAMMPS是根據不同的邊界條件和初始條件對通過短程和長程力相互作用的分子，原子和宏觀粒子集合對它們的牛頓運動方程進行積分。高效率計算的LAMMPS通過采用相鄰清單來跟蹤他們鄰近的粒子。這些清單是根據粒子間的短程互拆力的大小進行優化過的，目的是防止局部粒子密度過高。在并行機上，LAMMPS采用的是空間分解技術來分配模擬的區域，把整個模擬空間分成較小的三維小空間，其中每一個小空間可以分配在一個處理器上。各個處理器之間相互通信并且存儲每一個小空間邊界上的”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效率最高。

2、LAMMPS的功能

總體功能：

可以串行和并行計算

分布式MPI策略

模擬空間的分解并行機制

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）

可以方便的為之擴展上新特征和功能

只需一個輸入腳本就可運行有定義和使用變量和方程完備語法規則

在運行過程中循環的控制都有嚴格的規則

只要一個輸入腳本式就可以同時實現一個或多個模擬任務

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，有機分子，蛋白質，DNA

聯合原子聚合物或有機分子

金屬

粒子材料

粗粒化介觀模型

延伸球形與橢圓形粒子

點偶極粒子

剛性粒子

所有上面的雜化類型

力場：

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

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

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

介觀作用勢：granular, Peridynamics

鍵勢能：harmonic, FENE, Morse, nonlinear, class2, quartic

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

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

聚合物勢能：all-atom, united-atom, bead-spring, breakable

水勢能：TIP3P，TIP4P，SPC

隱式溶劑勢能：hydrodynamic lubrication, Debye

長程庫倫與分散：Ewald, PPPM, Ewald/N(針對長程L-J作用)

可以有與普適化力場如CHARMM，AMBER，OPLS，GROMACS相兼容的力場 可以采用GPU加速的成對類型

雜化勢能函數：multiple pair, bond, angle, dihedral, improper potentials(多對勢能處于更高的優先級)

原子創建：

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

在一個或多個晶格中創建原子

刪除幾何或邏輯原子基團

復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

原子基團與幾何區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）

簡諧（unbrella）束縛力

剛體約束

搖擺鍵與鍵角約束

各種邊界環境

非平衡分子動力學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）

熱力學信息日志

原子坐標，速度和其它原子量信息的文本dump文件

二進制重啟文件

各原子量包括：能量，壓力，中心對稱參數，CAN等

用戶自定義系統寬度或各原子的計算信息

每個原子的時間與空間平均

系統寬量的時間平均

原子圖像，XYZ，XTC，DCD，CFG格式

數據的前處理與后處理：

包里提供了一系列的前處理與后處理工具

另外，可以使用獨立發行的工具組pizza.py, 它可以進行LAMMPS模擬的設置，分

析，作圖和可視化工作。

特別功能：

實時的可視化與交互式MD模擬

與有限元方法結合進行原子-連續體模擬

在POEMS庫中提供了剛體積分工具

并行退火

并行復制動力學

對低密度液體直接使用MC模擬

Peridynamic介觀建模

目標型與無目標型分子動力學

雙溫度電子模型

LAMMPS不具備的功能：

由于LAMMPS是對牛頓運動方程積分的工具，所以很多必要的數據前處理與后處理功能是LAMMPS核心不具備的。其原因為：

保證LAMMPS的小巧性

前處理與后處理不能進行并行運算

這些功能可以由其它工具來完成

原代碼開發的局限性

特別地，LAMMPS不能：

通過圖形用戶界面來工作

創建分子體系

自動的加上力場系數

為MD模擬提供智能化的數據分析

MD的可視化為輸出數據作圖

我們需要為LAMMPS輸入一系列的原子類型，原子坐標，分子拓樸信息和所有原子與鍵的力場參數。LAMMPS不會自動的為我們創建分子體系與力場參數。對于原子體系，LAMMPS提供了creat-atoms命令來為固態晶格加上原子。可以通過pair coeff,bond coeff, angle coeff等命令來加上小數目的力場參數。

對于分子體系或更復雜的模擬體系，我們通常會用其它工具來創建或者是轉換LAMMPS輸出文件來做到這些事情。有的還會寫一些自已的代碼來完成這項任務。

對于一個復雜的分子體系（如，蛋白質），我們需要為之提供上面個拓樸信息與力場參數。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，并把之輸到一個文件中去。然后，改變其格式以達到LAMMPS所允許的輸入格式。

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

我們可以用以下幾個軟件來完成高質量的可視工作：

VMD

AtomEye

Pymol

Raster3d

RasMol

最后要說一下的是，以下這些也是自由分子動力學包，它們大多數是并行的，可能也適合來完成你的研究工作，當然也可以與LAMMPS聯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建和運行LAMMPS。

1、 在LAMMPS發行包中含有：

README

LICENSE

Bench：測試任務

Doc：文本

Examples：簡單的測試任務

Potentials：嵌入原子方法與力場文件

Src：源代碼

Tools: 前處理與后處理工具

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

2. 編譯LAMMPS

之前的工作：

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

編譯出一個可執行LAMMPS：

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

Make linux

Gmake mac

注意，在一個多處理器或多核處理器的平臺上你可以進行平行編譯，在make命令中使用“-j”選項就可以，這樣編譯起來會更快一些。

在此過程中不發生錯誤的話，你可以得到一個類似于lmp-linux的可執行文件。

在編譯過程當中將會發生的常見錯誤：

（1） 如果編譯過程當中發生錯誤，并提示不能找到一個含有通配符*為名的文件的話，說明你機器上的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，用Makefile.list作為make對像。如：Make makelist

Make –f makefile.list linux

Gmake –f makefile.lst mac

（2）當你使用低水平的makefile時，可能由于對機器的設置不正確，會導致一些錯誤。假如你的平臺叫“foo”,的話，你將要在MAKE目錄中創建一個Makefile.foo。使用任何一個與你機器相近的文件作為開始總是一個不錯的選擇。

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

編輯一個新的低水平makefile.foo：

（1） 在#后的句子中，替換foo，不論你寫成什么，這一行將會出現在屏幕上，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置，包括優化符號。你可以在任何UNIX系統中使用G++編譯器。當然你也可以用MPICC，如果你的系統中安裝了MPI的話。如果在編譯過程當中需要附加的庫，你需在LIB變量中列出來。DEPFLAGS設置可以讓C++編譯器創建一個源文件的依賴關系列表，當源文件或頭文件改變的時候可以加快編譯速度。有些編譯器不能創建依賴關系列表，或者你可以用選項—D來實現。G++可以使用-D。如果你的編譯器不能創建依賴關系文件的話，那么你就需要創建一個Makefile.foo來與Makefile.storm（它用一系列的不需要依賴文件的規劃）相對應。

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

如你要進行并行計算的話，那么你必須在你的平臺上安上MPI庫。如你想用MPI內置C++編譯器的話，你可以讓這三個變量空著，如你不用MPICC的話，那么，你要指定MPI.h(MPI_INC)文件在哪，MPI(MPI_PATH)庫在哪，還有庫名(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，你必須要設置他并編譯他使之適合你的平臺。

如果你想在單處理器的機器上運行的話，你可以用STIBS庫，這樣你就可以不用在你的系統中安裝MPI庫。仿照makefile.serial，看是如果設置這三個變量的。當然你在編譯LAMMPS之前你必須創建STUBS庫。在STUBS目錄中，輸入make，不出錯的話你將會得到一個libmpi.a文件可供鏈接到LAMMPS。當出錯，你則要修改STUBS下的MAKEFILE。

STUBS/MPI.CPP有一個CPU計時器MPI_Wtime()可以調用gettimeofday(). 如你的系統不支持gettimeofday()，則你就要插入一句代碼來調用另一個計時器，要注意的是，clock()函數在一個小時之后會歸0，所以對于一個長時間的LAMMPS模擬來說這是不夠用的。

C FTT變量用于指定FFT庫，當要用到kspace-style命令來計算長程庫倫作用時使用PPPM選項時要用到。

總結

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简版手册的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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