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1、材料微观结构演化大规模分子动力学软件比较聂宁明 1 胡长军 2 张云泉 3 贺新福 4 张博尧 1 李士刚 31 中国科学院计算机网络信息中心，北京 1001902 北京科技大学计算机与通信工程学院，北京 1000833 中国科学院计算技术研究所，北京 1001904 中国原子能科学院研究院，北京 102413()Comparison of Large-scale Molecular Dynamics Software for MaterialsComputingNingming Nie1 Changjun Hu2 Yuquan Zhang3 Xinfu He4 Boyao Zhang1 Sh
2、igang Li31(Computer Network Information Center, Chinese Academy of Science, Beijing 100190)2 (School of Computer &Communication Engineering, University of Science &Technology Beijing, Beijing, 100083)3 (Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Science, Beijing 100190)4(China Institute o
3、f Atomic Energy, Beijing 102413)Abstract Molecular dynamics simulation is an important tool for studying materials microstructure evolution under radiation effects. Four kinds of mainstream large-scale molecular dynamics open source software for materials computing, LAMMPS, Ls1-MarDyn, IMD and CoMD,
4、 are introduced in detail in this paper, with data structures, computational methods, parallel decomposition methods and atomic storage, etc. are compared and analyzed. By the design examples, computational efficiency, parallel performance and memory usage have been tested. It provides the basis for
5、 subsequent research to realize large temporal and spatial scale molecular dynamics simulation.Key words Molecular Dynamics; Large-scale; Data Structure, Material Irradiation Damage摘要 分子动力学模拟是研究材料辐照效应下微观结构演化的重要工具。本文对四款主流材料计算大规模分子 动力学开源软件 LAMMPS，Ls1-MarDyn，IMD 和 CoMD 进行了详细的介绍，从数据结构、计算方法、并行 分解方式、原子存储等
6、多个方面进行横向分析比较。通过设计算例测试了各软件的计算效率，并行性能和内存 使用情况。为后续实现大时空尺度分子动力学模拟研究提供了研究基础。关键词 分子动力学模拟；大规模；数据结构；材料辐照损伤 中图法分类号 TP391材料辐照损伤研究涉及从原子尺度到宏观尺度 的 9 个数量级的跨越，以及皮秒量级原子键断裂过程 到几十年工程结构失效和破坏的跨时间尺度的非线 性过程。这一演化和发展过程在实验很难观测和发 现。因此，目前为止，材料工作者对材料辐照损伤过 程中内部微观过程和演化机理尚缺乏深入的了解。高 性能计算机技术的发展使人们从微观层次深入理解 材料成为可能，成为当今国际材料界的重要研究领 域。
7、分子动力学模拟作为原子尺度模拟的经典计算方 法，在材料微观结构演化规律研究中处于重要地位。分子动力学模拟 (moleculardynamics simulation , MD)是通过利用计算机求解体系内所有粒子的运动 方程来模拟粒子的运动轨迹，从而获得系统的温度、 体积、压力、应力等宏观量和微观过程量。从上世纪 五十年代发展以来1,2，已经在包括物理，计算化学， 计算生物，材料科学，药物设计等多个领域有了十分 丰富的应用。分子动力学模拟作为一种非常有效的材 料计算技术，已成为与实验同等重要的科学研究的方 法。由于计算能力的限制，目前分子动力学通常模拟 的是几万到几千万个原子条件下材料的内部演化
8、过 程，而通常材料的微观结构及缺陷尺寸远远大于现有 计算能力所实现的计算规模，计算模拟结果与实际材 料的微观演化过程及宏观性能等还有很大的差异。因 此分子动力学模拟的发展的关键在于空间规模的扩 大和时间尺度的延长。只有在原子个数无限多，计算 的时间足够长时，才能真实地反映材料性质的宏观行 为。近些年，随着高性能计算机技术的飞速发展，分 子动力学计算技术被注入了新的活力。2015 年 7 月，我国研制的“天河二号”超级计算机再度荣登全球超 级计算机 500 强排行榜榜首，连续五次称冠世界3。 高性能计算机的发展为大规模分子动力学模拟提供 了发展的肥沃土壤。制约实际应用的瓶颈在于大规模 分子动力学
9、软件的研发。开展大规模分子动力学模拟 软件的研究成为国际上的研究热点。科学家们基于混 合架构高性能计算机开发了新的分子动力学程序，例 如 LLNL 与 IBM 的团队开发了面向高性能计算机的 经典分子动力学代码-ddcMD代码。2005年，他们首 次从原子层次原子尺度研究了金属钽和铀在超高温 高压下的凝固过程，在IBM BlueGene/L的131072个 CPU 上,达到101.7万亿次/秒的持续计算性能，获得 了 Gordon Bell 奖，该研究对评估核武器储备的可靠 性具有重要意义4。2007 年，他们又实现了第一个 基于分子动力学的微米尺度原子级 K-H 不稳定性数 值模拟，在IBM
10、 BlueGene/L全系统212,992个CPU 上，获得了 54.3 万亿次/秒的持续计算性能，再次获 得了 Gordon Bell 奖5。近年来美国启动了名为 “Spatio-Temporal Frontiers of Atomistic Simulations in the Petaflop Computational World” 6的科研项目， 旨在基于高性能计算机开发可扩展的分子动力学程 序，研究晶界与位错的相互作用以及材料中空洞的形 核与长大过程，在此基础上采用可扩展并行短程MD 程序 SPaSM 在 Roadrunner 上对 106-1012原子进行了 大规模的仿真模拟，达
11、到了 369 万亿次/秒持续计算 性能7。除此之外，针对不同领域应用的通用分子动 力 学 软 件 也 有 许 多 ， 如 LAMMPS8,NAMD9,GROMACS10等等。它们各 有各的特点，在不同领域获得了广泛的应用。本文关 注的是在材料计算领域广泛使用，可进行大规模并行 计算的开源分子动力学软件。我们选取了 LAMMPS， Ls1-MarDyn，IMD和CoMD四款开源分子动力学软 件进行详细的比较说明，为我们的后续研发工作提供 研究基础与支持。本文的安排如下：首先是分子动力学软件的介 绍，将对选取的 LAMMPS， Ls1-MarDyn， IMD 和 CoMD 四款大规模并行计算的分子
12、动力学软件进行 详细介绍。接下来，对这四款软件在并行性能，数据 结构，原子结构存储等几个方面进行横向比较，并通 过数值算例进行验证和分析说明。最后是全文总结， 通过总结前文对四款 MD 软件在大规模并行计算上 特点的分析，提出针对辐照效应下金属材料计算特点 的数据结构设计思想，为下一步研究工作指出方向。1. 大规模材料计算分子动力学软件介绍1.1 LAMMPS ( Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator)软件LAMMPS软件是由美国Sandia国家实验室开 发的一款通用的大规模分子动力学并行计算软件，是 世界上使用者最
13、广泛的几款分子动力学软件之一。从 2004年到2011年之间，就达到了8万9千多次的下 载量。LAMMPS 主要用于分子动力学相关的一些计算 和模拟工作，可在包括气态，液态或者固态相形态、 各种系综下，采用不同的力场和边界条件来模拟全原 子，聚合物，生物，金属，粒状和粗粒化体系。可实 现从几个粒子到上亿粒子体系的分子动力学计算。 LAMMPS 可提供并支持多种势函数计算，包括对势， 如Lennard-Jones(L-J)势(多用于气体，液体分子间作 用力计算)、Morse势等，多体势，如Embedded Atom Model(EAM )势(多用于单一金属或合金体系计算)、 modified E
14、AM (MEAM)势等，应用十分广泛。LAMMPS软件为开源软件，以C+编写，支持 用户的自行修改和扩展。LAMMPS支持串行与并行 计算。并行LAMMPS采用MPI并行，针对并行计算 特点设计数据结构与并行策略，具有良好的并行扩展 性。其软件结构可由如图1所示的类结构关系图来展 示。在计算粒子间相互作用时，LAMMPS通过cutoff 来设定每个粒子需计算的相互作用粒子范围大小，采 用neighbor list，也即近邻列表的数据结构来记录每 个粒子的邻居粒子信息，如图2所示。粒子信息存储 在数组中，每个粒子的邻近表数组中存储粒子的邻居 粒子索引。在计算时，通过neighbor list来追
15、踪所有 与该粒子有相互作用的粒子间作用力等信息。LAMMPS 采用空间分解方法来并行分配模拟区 域。将整个模拟区域分解成若干子区域分配到各个处 理器上。在每个处理器的计算子区域上设置ghost区 域来存储子区域边界原子信息，以便并行计算时各个 处理器间的相互通信与计算。LAMMPS提供了两种Error II4 ISoeu询 11|upd她 |LAMMPSICMrn I Ijireciulgr I1柯q門 QmpiTQpeF I* J图1 LAMMPS软件结构示意图8* ICom尿 IFig. 1 Software Structure Chart of LAMMPS 8* puipui t ：认
16、.Tirnerlv fileRestarll项存储指向原子相关信息数组的指针，具体如图5所 示。此外， IMD 还提供可选项，对于 3D 的 EAM 势 计算算例可提供与 LAMMPS 类似的 neighbor list 的 数据结构进行数据存储13。并行分解时，IMD将处理器排列成三维的笛卡尔 网格，然后按区域将box里cells数组细分成相同大 小的块，然后将它们分配给不同的处理器。各处理器 设置ghost区域用作接收与发送粒子数据的缓冲区。 IMD不提供负载平衡的策略。IMD除支持MPI的版本之外，还有OPENMP、 MPI+OPENMP和GPU版本的实现。orteam rheeam dFkraftimpulsso rtevserte
