一、簡介；本部分大至介紹了LAMMPS的一些功能和缺陷；

• 1．什么是LAMMPS?；LAMMPS是一個經(jīng)典的分子動力學(xué)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

本部分大至介紹了LAMMPS的一些功能和缺陷。

?

1． 什么是LAMMPS?

LAMMPS是一個經(jīng)典的分子動力學(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(shè)計的。他可以在任何一個按裝了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(jù)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(jù)粒子間的短程互拆力的大小進行優(yōu)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(shù)來分配模擬的區(qū)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維矩行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(guī)則

在運行過程中循環(huán)的控制都有嚴格的規(guī)則

只要一個輸入腳本試就可以同時實現(xiàn)一個或多個模擬任務(wù)

粒子和模擬的類型：

（atom style命令）

原子

粗?；Ｗ?/span>

全原子聚合物，有機分子，蛋白質(zhì)，DNA

聯(lián)合原子聚合物或有機分子

金屬

粒子材料

粗?；橛^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?；饔脛荩篋PD, 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(shù)：multiple pair, bond, angle, dihedral, improper potentials(多對勢能處于更高的優(yōu)先級)

原子創(chuàng)建：

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

在一個或多個晶格中創(chuàng)建原子

刪除幾何或邏輯原子基團

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

非平行太分子動力學(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，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(shù)，CAN等

用戶自定義系統(tǒng)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(tǒng)寬量的時間平均

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，可以使用獨立發(fā)行的工具組pizza.py, 它可以進行LAMMPS模擬的設(shè)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(jié)合進行原子-連續(xù)體模擬

在POEMS庫中提供了剛體積分工具

并行褪火

并行復(fù)制動力學(xué)

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(xué)

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(shù)據(jù)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

這些功能可以有其它工具來完成

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

自動的加上力場系數(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(shù)。LAMMPS不會自動的為我們創(chuàng)建分子體系與力場參數(shù)。

對與原子體系，LAMMPS提供了creat-atoms命令來為固態(tài)晶格加上原子?？梢阅苓^pair coeff,bond coeff, angle coeff等命來加上小數(shù)目的力場參數(shù)。對于分子體系或更復(fù)雜的模擬體系，我們通常會用其它工具來創(chuàng)建或者是轉(zhuǎn)換LAMMPS輸出文件來做到這些事情。有的還會寫一些自已的代碼來完成這項任務(wù)。

對于一個復(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€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換專這些格式。

我們可以用以下幾個軟件來完成高質(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是專們用于模擬生物分子的。

?

二、開始

本部分主要描述如何創(chuàng)建和運行LAMMPS。

1． 在LAMMPS發(fā)行包理含有：

README

LICENSE

Bench：測式任務(wù)

Doc：文本

Examples：簡單的測試任務(wù)

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(zhí)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(zhí)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(fā)生錯誤的話，你可以得到一個類似于lmp-linux的可執(zhí)行文件。

在編譯過程當中將會發(fā)生的常見錯誤：

（1） 如果編譯過程當中發(fā)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。那就償式使用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(shè)置不正確，會導(dǎo)致一些錯誤。假如你的平臺叫“foo”,的話，你將要在MAKE目錄中創(chuàng)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(xiàn)庫丟失或少了依賴關(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(tǒng)中不存在。

沒有連接到必要的系統(tǒng)庫

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(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。你可以在任何UNIX系統(tǒng)中使用G++編譯器。當然你也可以用MPICC，如果你的系統(tǒng)中安裝了MPI的話。

如過在編譯過程當中需要符加的庫的話，你必需在LIB變量中列出來。

DEPFLAGS設(shè)置可以讓C++編譯器創(chuàng)建一個源文件的依賴關(guān)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(chuàng)建依賴關(guān)系列表，或者你可以用選項—D來實現(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，那么你就需要創(chuàng)建一個Makefile.foo來與Makefile.storm（它用一系列的不需要依賴文件的規(guī)劃）相對應(yīng)。

（3）“system-specific settings”部分有四個小部分：

A LMP—INC變量，包括一些與系統(tǒng)相關(guān)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(nèi)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。如果我的是大平始的話，你的供應(yīng)商已經(jīng)為你裝上了MPI，其可能比MPICH或LAM更快，你可以把找出來并與之鏈接。如你用LAM或MPICH，你必需要設(shè)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(tǒng)中安裝MPI庫。防照makefile.serial，看是如果設(shè)置這三個變量的。當然你在編譯LAMMPS之前你必需創(chuàng)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(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)用另一個計時器，要注意的是，clock()函數(shù)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。

?

簡歷投遞請注明信息來源（V-suan云平臺）。