lammps命令详解：邻域列表与皮肤距离优化
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更新于2024-09-07
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LAMMPS（Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator）是一个强大的分子动力学模拟软件，它广泛应用于材料科学、生物物理、流体动力学等领域。本文主要针对LAMMPS中的"neighborcommand"进行解析，这对于初学者理解和掌握这个命令以及快速入门LAMMPS至关重要。
"neighborcommand"是LAMMPS中的一个关键命令，用于建立邻域列表，这是计算原子间相互作用力的基础。邻域半径与截断半径有关，通常设置为力截断半径之外的一个额外距离，这个额外距离被称为"skin"或"extradistancebeyondforcecutoff"。这个参数的选择对模拟效率有显著影响：增大皮肤距离可以减少邻域列表的构建次数，从而提高计算速度，但同时会增加每一步模拟中需检查的原子对数量，可能会增加计算复杂性。
邻域列表存储了在力截断半径加上皮肤距离范围内的所有原子对，这对于处理短程相互作用和计算力场至关重要。例如，在纳米摩擦学研究中，第P67页的描述就提供了这种距离设置的指导原则。
皮肤距离还影响着原子在并行计算过程中的处理器分配。当使用"neigh_modify"命令的"check"选项时，如果一个原子需要迁移到新处理器，这将发生在邻域列表重新构建的同时，以保持同步更新。
"style"选项在"neighborcommand"中起着选择构建算法的作用。"bin"风格利用了空间分区方法，其性能随着原子总数(N)与处理器数量(P)的比例线性增长，这意味着对于大规模系统，合理选择风格可以优化并行性能。
理解并正确配置"neighborcommand"在LAMMPS中是一项关键技能，因为它直接影响到模拟的精度、效率和并行化效果。对于想要深入学习LAMMPS的用户，熟练掌握这个命令及其参数调整是必不可少的。在实际操作中，根据具体的应用场景和硬件资源，调整皮肤距离和构建算法策略，能够显著提升模拟的性能。
neighbor command (建立邻域列表)
neighbor skin style
skin = extra distance beyond force cutoff (distance units)
邻域半径—截断半径=超出力截断半径的额外距离(这个可以参考纳米摩擦学 P67 页)
All atom pairs within a neighbor cutoff distance equal to the their force
cutoff plus the skin distance are stored in the list.
邻域截断半径距离（等于他们的力截断半径加上表皮距离）内的所
有原子对储存在列表中。
Typically, the larger the skin distance, the less often neighbor lists need to
be built, but more pairs must be checked for possible force interactions
every timestep. 典型的，表皮距离越大，邻域列表需要建立的次数更
少，但是每一时间步长需要检查更多的原子对的可能力相互作用。
The default value for skin depends on the choice of units for the
simulation; see the default values below.
Skin的默认值由仿真选择的单位决定的：看下面的默认值。
The skin distance is also used to determine how often atoms migrate to
（迁往）new processors if the check option of the neigh_modify
command is set to yes. Atoms are migrated (communicated) to new
processors on the same timestep that neighbor lists are re−built.原子在邻
域列表重新建立的同一时间步长迁往新的处理器。
The style value selects what algorithm is used to build the list. The bin
style creates the list by binning which is an operation that scales linearly
with N/P, the number of atoms per processor where N = total number of
atoms and P= number of processors. It is almost always faster than the
nsq style which scales as (N/P)^2. For unsolvated small molecules in a
non−periodic box, the nsq choice can sometimes be faster. Either style
should give the same answers.
Default:(默认)
0.3 bin for units = lj, skin = 0.3 sigma
2.0 bin for units = real or metal, skin = 2.0 Angstroms
0.001 bin for units = si, skin = 0.001 meters = 1.0 mm
0.1 bin for units = cgs, skin = 0.1 cm = 1.0 mm
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