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LAMMPS入門２

高度情報科学技術研究機構（RIST）吉澤香奈子

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Outline • Introduction

− 古典MDの代表的なアプリ（オープンソース） − LAMMPS, OCTA, MODYLAS, その他

• LAMMPSについて − LAMMPSを使い始めるには − LAMMPSのGUIアプリ − LAMMPSの実行

• LAMMPSのexamples • opt パッケージの利用

− LAMMPSの可視化

• MateriApps Live!のご紹介

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INTRODUCTION

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Introduction

• LAMMPS http://lammps.sandia.gov/

• OCTA http://www.octa.jp/index_jp.html

• MODYLAS http://www.modylas.org/

• その他 – Gromacs、NAMD、DL-POLY : 海外のアプリ – GENESIS : 国産のアプリ

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古典MDの代表的なアプリ（オープンソース）

材料系分子シミュレーションの現象スケール

量子化学分子軌道法、密度汎関数法

NTChem, ABINIT-MP, PHASE, xTAPP, etc.

分子動力学

LAMMPS MODYLAS

粗視化分子動力学

OCTA

nm μm mm

ps

ns

fs

μs

時間スケール (sec)

空間スケール (m)

（注）厳密なものではないあくまで目安

LAMMPS • 様々な計算スケールの手法が入っている

（粒子系で高速多重極展開FMM法以外は大抵入っている） • 金属系の経験ポテンシャル類にも強い

ms

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LAMMPSについて

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LAMMPSを使い始めるには • 個人のPCで試す（Windows, Mac, Linux）

– 個人で設定、インストールの必要がある

– GUI支援ツール（Windows）を用いる

– MateriApps Live! http://cmsi.github.io/MateriAppsLive/ のようなツールを用いるとインストールなしで試せる（後述）

• 「京」およびHPCIでの利用大規模計算 – 課題申請、成果報告の必要がある – インストールの必要がある – 機関によってはプリインストールされている

名古屋大学情報基盤センター、大阪大学サイバーメディアセンター

どのプラットフォームでもLAMMPSのコンパイルには比較的時間がかからない

インストール方法などの詳細は、HPCIポータルサイトの http://www.hpci-office.jp/materials/LAMMPS_introduction_160219_yoshizawa.pdf 7

http://cmsi.github.io/MateriAppsLive/

LAMMPSのGUIアプリ（１） • J-OCTA https://cae.jsol.co.jp/product/material/jocta/

– 2005年 JSOL（日本総研）が開発 OCTAの商用版 ※ Student Edition（機能制限付きの無償版）がある

– LAMMPSをマルチスケールシミュレーション統合環境に拡張でき、多機能なプリポストが利用可能

COGNACのデータに基づいて、LAMMPSデータと相互に変換

LAMMPSの入力ファイルが自動生成され、手動修正も可能

結果ファイルは自動的にCOGNACデータに変換される

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LAMMPSのGUIアプリ（２） • Winmostar https://winmostar.com/

– 株式会社クロスアビリティが開発・販売 – 企業ユースで15万円より（トライアル版あり） – サポート&講習会(東京、関西で毎週開催) – 平均20ダウンロード/日 – 国内外にシングルライセンス460ユーザ、機関ライセンス36契約

(2016年9月13日時点)

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LAMMPSのGUIアプリ（３） • その他のツール

Pre/Post Processing Tools for use with LAMMPS（紹介サイト） http://lammps.sandia.gov/prepost.html

• 可視化ツール（後述） – VMD http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd – OVITO http://www.ovito.org

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OVITO

LAMMPSの実行

• LAMMPSパッケージにある lammps-30Jul16/examples/melt の実行入力ファイル in.melt： 4,000原子、NVEアンサンブル、250ステップ

• 計算規模を変えて実行 – 原子数：4,000、 256,000、 204,8000

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LAMMPSのexamples

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http://lammps.sandia.gov/doc/Section_example.html

7. Example problems

accelerate run with various acceleration options (OpenMP, GPU, Phi)

balance dynamic load balancing, 2d system

body body particles, 2d system

colloid big colloid particles in a small particle solvent, 2d system

comb models using the COMB potential

coreshell core/shell model using CORESHELL package

crack crack propagation in a 2d solid

deposit deposit atoms and molecules on a surface

dipole point dipolar particles, 2d system

dreiding methanol via Dreiding FF

eim NaCl using the EIM potential

ellipse ellipsoidal particles in spherical solvent, 2d system

・・・

LAMMPS の examples/melt（１）

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melt: FCC格子状に並んだLJ粒子が溶けて拡散

# 3d Lennard-Jones melt units lj atom_style atomic lattice fcc 0.8442 region box block 0 10 0 10 0 10 create_box 1 box create_atoms 1 box mass 1 1.0 velocity all create 3.0 87287 pair_style lj/cut 2.5 pair_coeff 1 1 1.0 1.0 2.5 neighbor 0.3 bin neigh_modify every 20 delay 0 check no fix 1 all nve

入力ファイル： in.melt

力場パラメータの設定

速度の設定

Lennard-Jones（LJ）古典粒子

格子定数： FCC 0.8442 シミュレーションボックスの指定

NVEアンサンブル

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#dump id all atom 50 dump.melt #dump 2 all image 25 image.*.jpg type type & # axes yes 0.8 0.02 view 60 -30 #dump_modify 2 pad 3 #dump 3 all movie 25 movie.mpg type type & # axes yes 0.8 0.02 view 60 -30 #dump_modify 3 pad 3 thermo 50 run 250

入力ファイル： in.melt （続き）

# は、コメントアウト dump：出力形式の指定

計算実行（step）数

LAMMPS の examples/melt（２）

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LAMMPS の examples/melt（３）入力ファイル（in.melt）における原子数の設定

• 原子数：4,000 region box block 0 10 0 10 0 10



LAMMPS の examples/melt：実行結果（１）

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Step Temp E_pair E_mol TotEng Press 0 3 -6.7733681 0 -2.2744931 -3.7033504 50 1.6758903 -4.7955425 0 -2.2823355 5.670064 100 1.6458363 -4.7492704 0 -2.2811332 5.8691042 150 1.6324555 -4.7286791 0 -2.280608 5.9589514 200 1.6630725 -4.7750988 0 -2.2811136 5.7364886 250 1.6275257 -4.7224992 0 -2.281821 5.9567365

LAMMPSの入力ファイルにおいて

thermo_style custom step temp epair emol etotal press 出力する値の設定

出力結果（物理量）

LAMMPS の examples/melt：実行結果（２）

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MPI task timing breakdown: Section | min time | avg time | max time |%varavg| %total --------------------------------------------------------------- Pair | 0.51688 | 0.51688 | 0.51688 | 0.0 | 84.69 Neigh | 0.067366 | 0.067366 | 0.067366 | 0.0 | 11.04 Comm | 0.011268 | 0.011268 | 0.011268 | 0.0 | 1.85 Output | 8.7261e-05 | 8.7261e-05 | 8.7261e-05 | 0.0 | 0.01 Modify | 0.011968 | 0.011968 | 0.011968 | 0.0 | 1.96 Other | | 0.002732 | | | 0.45 Nlocal: 4000 ave 4000 max 4000 min Histogram: 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Nghost: 5499 ave 5499 max 5499 min Histogram: 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Neighs: 151513 ave 151513 max 151513 min Histogram: 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Total # of neighbors = 151513 Ave neighs/atom = 37.8783 Neighbor list builds = 12 Dangerous builds not checked Total wall time: 0:00:00

LAMMPS内のタイマーによって実行時間がわかる

全実行時間

LAMMPS の examples/melt：実行結果（３）

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実行時間（時：分：秒）

FX10

プロセス数 1 4 16 256 576

4,000原子1,000ステップ 0:00:02 0:00:01 0:00:01 0:00:05 4,000原子10,000ステップ 0:00:29 0:00:11 0:00:12 0:00:03 256,000原子1,000ステップ 0:03:06 0:01:13 0:01:11 0:00:04 0:00:02 256,000原子10,000ステップ 0:31:15 0:12:48 0:11:47 0:00:44 0:00:21 2,048,000原子1,000ステップ 0:27:04 0:10:06 0:08:56 0:00:36 0:00:15

2,048,000原子10,000ステップ 1:46:38 1:28:35 0:05:55 0:02:30

• 計算規模が大きくなる HPCの利用へ • プロセス数当たりの粒子数減少に伴う実行時間の減少計算規模（原子数など）に合わせた、計算機の選択が必要

※すべてフラットMPIによる実行

iMac：2.8 GHz Intel Core i7

実行時間（時：分：秒）

プロセス数の見積もりFX10 examples/melt フラットMPI（原子数：4,000、256,000、2,048,000）

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4,000原子：〜１６プロセス 256,000原子：〜６００プロセス 2,048,000原子：６００プロセス以上

性能測定はRISTの高度化支援へ

LAMMPSの「京」での性能

図：未架橋フェノールの並列化効率計算結果

LAMMPSによる架橋フェノール樹脂の計算フラットMPI（原子数：26,000、208,000、1,664,000、13,312,000）温度 300K、1 atm の条件でNPTアンサンブルを用いた 10,000 stepの計算 (1ステップあたりの時間刻みは 1 fs) ※ 原子数 13,312,000 は、1,000ノード（8,000 コア）を使用

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LAMMPSの高速化関連パッケージ

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5.3. Packages with optimized styles

http://lammps.sandia.gov/doc/Section_example.html

GPU Package NVIDIA GPU（OpenCLサポートと同様）

USER-INTEL Package Intel CPU と Intel Xeon Phi

KOKKOS Package Nvidia GPU, Intel Xeon Phi, OpenMPスレッド並列

USER-OMP Package OpenMPスレッド並列と一般的なCPU最適化

OPT Package 一般的なCPU最適化（-sf opt）

FX10

256,000 atoms with -sf opt

2,048,000 atoms with -sf opt

OPT Packageを使うことにより、実行時間が短縮される。

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入力ファイル（in.melt）において # 3d Lennard-Jones melt

units lj

atom_style atomic

lattice fcc 0.8442

region box block 0 10 0 10 0 10

create_box 1 box

create_atoms 1 box

mass 1 1.0

velocity all create 3.0 87287

pair_style lj/cut 2.5

pair_coeff 1 1 1.0 1.0 2.5

neighbor 0.3 bin

neigh_modify every 20 delay 0 check no

fix 1 all nve

dump id all atom 50 dump.melt

#dump 2 all image 25 image.*.jpg type type &

# axes yes 0.8 0.02 view 60 -30

#dump_modify 2 pad 3

#dump 3 all movie 25 movie.mpg type type &

# axes yes 0.8 0.02 view 60 -30

#dump_modify 3 pad 3

thermo 50

run 250

LAMMPSの可視化：VMDで可視化する

# を取る

この入力ファイルを実行すると、 dump.melt というファイルを出力する。

VMDで可視化する（２） • VMDの起動 • dump.melt を開く

23

①

②

VMDで可視化する（３） • ファイルタイプの選択「LAMMPS Trajectory」

24

①

②

VMDで可視化する（４） • ディスプレイの起動（Linesの表示）

25

VMDで可視化する（５） • 表示形式の調整

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①

②

④

③ 0.2くらいに調整

VMDで可視化する（６） • ディスプレイ（VDWの表示）

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VMDで可視化する（７） • MDスタート

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• 2016年9月現在：ABINIT, AkaiKKR, ALPS, CP2K, DSQSS, ERmod,

feram, Gromacs, HPhi, OpenMX, Quantum ESPRESSO, SMASH,

xTAPP, LAMMPS, VMD

MateriApps LIVE! サイト (http://cmsi.github.io/MateriAppsLive/)

からダウンロード可能

USB で reboot しなくても VirtualBox + ova ファイルで使用可能 https://github.com/cmsi/MateriAppsLive/wiki/MateriAppsLive-ova

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