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软件X 11(2020)100389原始软件出版物RXMD:一个可扩展的反应分子动力学模拟器,用于优化求解时间放大图片作者:Kan,a,d,J. Kaliaa,b,c,d,Aiichiro Nakanoa,b,c,d,e,Pankaj Rajakf,Priya Vashishtaa,b,c,d美国南加州大学洛杉矶分校高级计算和模拟合作实验室,CA 90089-0241b美国南加州大学洛杉矶分校计算机科学系,邮编:90089-0241c南加州大学物理天文系,洛杉矶,CA 90089-0241,美国d南加州大学材料科学与化学工程系,洛杉矶,CA 90089-0241,美国美国南加州大学洛杉矶分校生物科学系,邮编:90089-0241f阿贡领导力计算设施,阿贡国家实验室,阿贡,IL 60439,美国ar t i cl e i nf o文章历史记录:收到2019年收到修订版2019年10月25日接受2019年保留字:反应分子动力学并行计算至溶液的时间a b st ra ctRXMD是一个并行反应分子动力学(RMD)模拟器,旨在在商用笔记本电脑到超级计算机平台上执行大规模RMD模拟。凭借广泛的解决方案时间(TtoS)优化技术和可扩展的算法,RXMD使研究人员能够探索需要巨大空间范围和长时间原子事件的材料设计空间,并具有高度准确的化学性质。可扩展和模块化的软件架构允许实施创新的优化技术。RXMD是MaterialGenomeInnovationforComputationalSoftware(MAGICS)中心的核心模拟引擎之一,并作为开源软件从MAGICS网站和Github免费分发RXMD也被用作计算材料课件,为计算研究人员和社区提供并行RMD模拟的基本培训。©2019作者由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)中找到。软件元数据当前软件版本RXMD 3.0。此版本可执行文件的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2019_32法律软件许可证GPL-3计算平台/操作系统Linux/Unix,OS X安装要求依赖关系Fortran 2008,MPI,OpenMP如果可用,用户手册链接-如果正式出版,请在参考列表中引用该出版物https://github.com/USCCACS/rxmd问题支持电子邮件cacs@usc.edu代码元数据当前代码版本RXMD 3.0此代码版本使用的代码/存储库的永久链接https://github.com/USCCACS/rxmd法律代码许可证GPL-3使用Github的代码版本控制系统使用Fortran 2008、MPI、OpenMP的软件代码语言、工具和服务编译要求、操作环境依赖性无如果有开发人员文档/手册链接无问题支持电子邮件cacs@usc.edu*通讯作者:高级计算和模拟合作实验室,南加州大学,洛杉矶,CA 90089-0241,美国。电子邮件地址:knomura@usc.edu(K.- I. Nomura)。https://doi.org/10.1016/j.softx.2019.1003892352-7110/©2019作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章,使用CC BY许可证(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页:www.elsevier.com/locate/softx2K.- I. 野村,R.K.卡利亚A.Nakano等人粤公网安备44010802000011号阿斯1. 动机和意义分子动力学(MD)是一种广泛使用的材料模拟方法,它通过对原子进行显式处理来研究材料。分子动力学方法通常按理论水平分类,用来描述原子间的相互作用。例如,量子分子动力学(QMD)明确遵循基于量子力学的电子动力学,而经典分子动力学采用简单函数来近似复杂的电子动力学。虽然QMD提供了对基础物理学的深刻见解,但随着系统规模的快速增加,计算复杂性的快速增加阻止了对数千个原子的模拟。这种限制对于材料模拟尤其重要,其中典型的系统尺寸由数百万个原子组成,以研究嵌入大量晶体材料中的局部异质性,例如位错和晶界。规避可扩展性问题的一种方法是多尺度建模,其中使用精确的QM模型来描述化学反应位点,而可扩展的连续体方法描述周围的整体机械性质[1这种多尺度建模方法对于生物学应用已经相当成功[6,7],然而,如果握手区域,即,不同模型之间的边界没有明确定义,并且在仿真过程中动态地演变[5]。另一种流行的方法是开发一种原子间的相互作用,这种相互作用是可扩展的,能够描述目标化学反应。这种类型的原子间相互作用被称为迄今为止,已经提出了许多具有精确化学性质以及良好材料性质的反作用力场。ReaxFF [8,9]是利用键级概念和可变电荷方案,实现原子间共价键的动态形成和断裂以及电荷转移的反应力场之一几种可变电荷模型,例如EEM [10]、QEq [11]、可极化QEq [12]和ACKS 2(原子-电荷耦合)。压缩Fig. 1. RXMD工作流程示意图。各种经典力场包括ReaxFF GULP还提供了许多参数拟合功能,包括广泛的材料特性,如结构,能量,机械,介电和振动特性。这些结果有助于发展新的原子间相互作用势。RXMD是为计算科学家和工程师开发的,用于在桌面到百万核超级计算机上执行RMD模拟RXMD提供出色的可扩展性以及良好的单节点性能。2. 软件描述RXMD基于现代Fortran标准,对第三方库的依赖性最小,以保持代码库的简单性和可移植性,适用于现有和未来的计算架构。RXMD采用了一个有效的域分解方案与标准的六路进程间通信,以确保susceptible算法的可扩展性。消息传递接口(MPI)库用于跨多个节点的进程间通信,而基于开放多处理(OpenMP)API的多线程实现单节点并发。计算密集型子程序,如键合和非键合能量函数、邻域构造和海森已经与ReaxFF一起使用。化学品保真度计算QEq,即 库伦我J其中ECoulomb是库仑反应依赖于用于训练参数集的理论的准确性水平。虽然ReaxFF实现了高精度的化学,计算成本降低了几个数量级,但多核范式的转变需要一种新型的可扩展并行软件,以便充分利用新兴和未来的计算平台。目 前 有 几 个 支 持 ReaxFF MD 的 软 件 包 可 用 [9] 。 LAMMPS(Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator)[14]是一个开源的基于社区的并行分子动力学模拟器,已被广泛应用于研究社区。LAMMPS中的ReaxFF包,称为LAMMPS/User-ReaxC,基于PuReMD(Purdue反应分子动力学)[15PuReMD实现了高效的数值算法,以利用最先进的HPC架构,如众核和图形处理单元(GPU)。Amsterdam Modeling Suite(AMS)是一个商业软件包,由包括 ReaxFF 在 内的 各 种 仿真 引 擎 组成 。 AMS 提 供图 形 用 户界 面(GUI)、实用工具构建初始MD系统,分析和可视化MD trajec-tories,以及许多在线手册和教程,显着提高用户的生产力。此外,AMS还提供了先进的功能,如eReaxFF [18]和ACKS2,以进一步扩展仿真保真度和建模能力。GULP(通用格子程序)[19]最初是GULP支持能量和qi和qj是第i个和第j个原子的电荷,是多线程的。线程间的共享数据由低开销的原子操作保护。我们将能量函数融合到一个单一的并行部分中,以增强多线程的可扩展性,并最大限度地减少fork-join线程模型带来的开销。可扩展的I/O功能实现MPI-I/O存储检查点文件和其他信息,如原子连接。RXMD已经在各种Fortran编译器和MPI库上进行了测试。最新的RXMD源代码可以从Github仓库[20]和MAGICS网站[21]免费获得。2.1. 软件构架图1示意性地呈现了RXMD仿真工作流程。第一步是生成初始配置文件(rxff.bin),其中包含原子类型,位置和系统维度等。RXMD包括一个名为geninit的实用工具来生成初始配置。RXMD求解牛顿运动方程(由红色箭头表示)并产生原子轨迹以供后续分析。一个MD步骤包括(1)缓存来自相邻域的原子信息,(2)计算能量和力,(3) 将所计算的力值返回到相邻域,以及(4) 更新原子位置和速度。步骤(1)和(3)通过使用MPI的进程间通信来能量和力的计算由几个子步骤组成,包括键级计算,使用QEq确定原子电荷,以及基于成键和非成键函数的力和能量计算K.- I. 野村,R.K.卡利亚A.Nakano等人粤公网安备44010802000011号3+=2.1.1. 目录结构下面的列表显示了RXMD存储库中的几个关键文件和目录。DAT:存储检查点数据和初始配置文件(rxff.bin)的目录可以使用numberflag-o来覆盖目录路径。ffield:ReaxFF参数集的文本文件。可以使用followflag-f覆盖文件路径。rxmd.in:文本文件包含RXMD输入参数。flag-i覆盖文件路径。init:用于存储实用程序并使用geninit创建初始配置的目录。src:存储RXMD源文件目录src包含RXMD源文件。在源文件中,子程序和函数按文件名指示的功能分组。下面列出了最重要的源文件。main.F90:MD驱动程序,包含主例程和多个实用程序函数init.F90:系统初始化param.F90: ReaxFF力场解析器pot.F90:用于能量和力计算的子程序qeq.F90:使用QEq方案的原子电荷计算pqeq.F90:使用PQEq方案模块的核/壳电荷计算。F90:通用变量comm.F90:进程间通信fileio.F90:用于检查点、原子连接和数据可视化的bo.F90:键序计算目录init包含Makefile和源文件,用于构建geninit实用工具。为了准备初始配置,geninit需要两个输入文件:(1)为感兴趣的系统设计的ReaxFF力场场(ffied);以及(2)包含模拟系统信息的输入文件,例如MD盒的晶格参数以及原子的元素名称和坐标。图2表示输入文件格式。第一行是原子的总数,后面跟着一个字符串来描述系统。第二行存储六个晶格参数,三条边(a,b和c)以单位和三个角度(α,β,γ)。从第三行到文件末尾,每行以分数坐标存储元素名称和x、y、z位置。2.2. 软件功能在本节中,我们介绍了RXMD功能,例如扩展拉格朗日方法,移位-塌陷(SC)算法和最近添加的广义可极化电荷平衡方案,称为ReaxPQ+ [22]。适用于RXMD的扩展拉格朗日方法由Nicklasson等人在量子分子动力学(QMD)的背景下提出[23它通过引入虚拟的波函数的动力学,实现了良好的能量守恒和计算时间的显着减少。由于XL-BOMD方案中已知的能量漂移问题,应谨慎使用扩展拉格朗日方法[26]。然而,能量守恒可以大大提高的惯性扩展拉格朗日/自洽场(iEL/SCF)计划最近提出的Leven等人。[26]第10段。为了实现线性缩放以评估单个节点上的范围受限的原子间相互作用,标准策略是将原子位置组织成bin,通常称为单元,并使用链表遍历原子信息。基于原子间相互作用势的平移和反射不变性,SC算法在减少计算节点间数据传输的同时,完全消除了冗余计 算 SC 算 法 的 推 广 , 称 为 重 正 化 SC ( RSC ) , 已 应 用 于ReaxPQ+,并在TtoS中实现了5.0倍的减少[22]。RSC目前处于开发分支中,未得到官方支持。尽管QEq方案取得了巨大的成功,但它采用原子电荷模型,从而忽略了介电常数中的电子贡献。为了解决这个问题,提出了一种基于核壳模型的极化PQEq模型,称为PQEq方案[27与量子力学相比,PQEq描述了各种有机和无机材料的足够准确的介电行为。RXMD 进 一 步 扩 展 了 PQEq 方 案 , 实 现 了 广 义 PQEq 方 案(ReaxPQ+),以纳入电场的影响(见图1)。3(a))。为了描述材料的介电响应,ReaxPQ+通过求解Finter引入了外部电场的F外 部其中,Fintra和Finter是原子内和相邻原子之间的库仑相互作用,Fexternal 是由外部电场引起的感应力。我们已经成功地将ReaxPQ+框架应用于高能量密度聚合物、Al2O3晶体和MoS2单分子膜。图图3(b)和(c)展示了ReaxPQ+在Argonne LeadershipComputing Facility(ALCF)的Intel Xeon Phi(KNL)超级计算机Theta上在等粒标度(弱标度)期间,每个MPI秩的原子数(N/P)保持恒定,即,25,576个MoS2原子/MPI等级。在等粒度缩放中,P核上的加速比定义为仿真单元中的原子总数与每秒RXMD步骤数的乘积之比,其中参考基准基于64个Xeon Phi核。在此,基准测试期间的核数从64个变化到64个。到131,072,由多达3,221,224,472个原子组成。我们已经实现了0.989的并行效率,见图3(b)。我们还以较小的粒度(RDX系统涉及每个核心672个原子)执行了弱可扩展性在强缩放性能测试(图。3(c)),使用50,331,648个MoS2原子的固定问题大小。基准测试期间使用的岩心数量我们已经获得了0.766的强缩放并行效率,这对应于TtoS的12.26倍减少。3. 说明性实例在本节中,我们将介绍如何下载RXMD,构建必要的可执行文件,并执行几个示例模拟。第一步是通过git命令克隆RXMD仓库。git克隆https://github.com/USCCACS/rxmd.gitFortran编译器、MPI库和MPI Fortran 90绑定具有正确安装和配置以构建RXMD可执行程序。mpif 90-4K.- I. 野村,R.K.卡利亚A.Nakano等人粤公网安备44010802000011号=图二、 geninit输入文件示例。原子坐标是分数坐标。图三. (a)聚乙烯晶体在电场作用下壳层电荷(紫色)的分布。(b)使用ReaxPQ+算法的弱缩放性能每个KNL核具有25,576个MoS2原子,其中KNL核的数目P在64至131,072的范围内。蓝线显示单个MD步骤的挂钟时间,一下(c)使用恒定问题大小的ReaxPQ+算法的强缩放加速-在P个核上使用50,331,648个原子的MoS 2系统(P2048年,. . 32,768)θ的理想的加速比和测得的挂钟时间分别显示为黑点和蓝线。(For对颜色的解释本图图例,读者可参考本文网络版目录config/包含几个预定义的构建设置。通过示例,我们使用了 带 有 GNU Fortran 编 译 器 的 标 准 make 文 件 config/make_example.inc。第一步是将config/make_example.inc复制为make.inc,并键入make all,这将在init/目录下构建RXMD可执行文件rxmd和用于所有示例的实用工具geninit。cpconfig/make_example.incmake.incmake all目录examples/包含三个子目录,每个子目录演示RXMD的几个核心功能。1-reaxff:单域RMD仿真。2-reaxff-dc:多域RMD仿真。3-reaxpq+:ReaxPQ+模拟,单域,带电磁场。每个目录都包含一个结晶聚乙烯晶胞(init.xyz)、ReaxFF参数集(ffield)、RXMD输入参数(rxmd.in)和Makefile,以执行演示模拟。3.1. 单域和多域前两个示例演示了如何在单域(1-reaxff)和基于分治方法(2-reaxff-dc)的多域上运行RMD仿真。除非明确指定,否则文件和目录路径都是相对于rxmd/examples的。通过将目录更改为1-reaxff/并键入make命令,执行以下命令../../ init/geninit-i input.xyz-f ffield-oDAT/-mc 2 3 5mpirun -np 1../../ RXMD第一个命令使用input.xyz中描述的单位单元结构创建初始配置,分别在x、y和z方向上复制单位单元2、3和5次。这里需要ReaxFF参数文件ffield,以便在RMD模拟期间在init.xyz中存储的元素名称(字符串)和原子类型(整数)之间进行映射。Flag-o指定输出目录以放置输出文件rxff.bin,其中包含初始配置数据。计算完成后,原子轨迹使用XYZ格式保存在目录1-reaxff/DAT/下。任何标准的分子可视化都可以用于可视化轨迹。为了实现您感兴趣的系统的最佳TtoS,精确控制仿真域大小和有效利用可用的计算资源是至关重要的。第二个示例显示如何准备初始配置以执行两域RMD模拟。虽然这是多域仿真的最简单的情况,但是相同的程序可以用于由百万域组成的RMD仿真。目录2-reaxff-dc/包含使用两个MPI秩的多域RMD仿真示例。目录2-reaxff-dc/中的make命令将创建一个初始配置,并开始一个简短的多域RMD模拟。3.2. 带电场的ReaxPQ+目录3-reaxpq+/包含ReaxPQ+模拟的示例,其中聚乙烯晶体在x方向上经受0.01伏/伏的静电场。电场由运行时标志-e(或-使用3-reaxpq+/中的make命令来执行示例。../../ init/geninit -i input.xyz-f ffield -o DAT/ -mc 2 3 5mpirun -np 1../../RXMDXYZ文件,其中包含的核心和外壳电荷的位置是在DAT/3-reaxpq+/下创建,其可用于计算作为施加电场的函数的系统的极化率。4. 影响早期的RXMD软件在ALCF的BlueGene/L上显示出高达10亿个原子系统的出色扩展能力[30]。早期的基准为研究人员研究广泛的材料特性提供了可能性,其中K.- I. 野村,R.K.卡利亚A.Nakano等人粤公网安备44010802000011号5对广阔空间范围的精确描述和准确的化学反应是必然的。由于简单和模块化的架构,RXMD一直在为新算法提供软件开发平台,以改善TtoS,包括扩展拉格朗日方法来绕过速度限制QEq步骤[31]和重正化移位崩溃(RSC)方法,以绝对消除冗余计算[22,32]。RXMD继续在单个计算节点以及国家领先计算设施的许多高端超级计算架构上支持出色的可扩展性。大规模RMD在许多材料研究领域有着广泛的应用一个例子是硫致脆化,其中微量的杂质使韧性金属表现出灾难性的脆性失效。使用4800万个原子的RMD模拟,Chen et al.发现镍晶粒边界中硫杂质的存在导致剪切强度降低一个数量级,因此裂纹扩展路径沿晶粒受限[33]。利用RXMD,科学家可以充分利用现有的计算资源,设计和研究新颖独特的科学和工程问题。RXMD已用于研究应力腐蚀开裂[33]、冲击诱导的化学反应[34,35]、水下气泡破裂[36]、纳米碳[37]和2D材料[38,39]的合成、力场训练[40,41]以及许多新的算法研究[31,32]。此外,RXMD已被用作MAGICS材料软件研讨会的课件的一部分。所有的培训模块和课件材料都可以从MAGICS网站免费分发[42],为未来的计算研究人员创建一个开放的教育平台。5. 结论总之,RXMD是一个可扩展的和便携式的并行RMD模拟器,专门设计用于执行大规模的RMD模拟,使用商用笔记本电脑超级计算机平台。通过对可扩展性和TtoS的广泛优化,研究人员现在能够在前所未有的空间和时间尺度上执行量子力学级别的精确RMD模拟简单和模块化的软件架构允许研究人员研究新颖和创新的优化技术。RXMD已被证明具有从小到大粒度问题的高度可扩展性,这 允许研究广泛的材料科学问题。该软件是在DOEMAGICS中心开发的,RXMD源代码在Github和MAGICS网站上免费发布到目前为止,RXMD已经与大学和国家实验室的许多研究小组共享,最近被用作研究生和早期职业研究人员的计算材料培训课件。竞合利益作者声明,他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系,可能会影响本文报告的工作确认这项工作是由美国能源部科学办公室资助的计算材料科学计划的一部分,美国基础能源科学,美国,奖励号DE-SC 0014607。引用[1]Kikuchi H,Kalia R.协同仿真网格:陈晓,量子力学与经典原子理论在分布式计算机集群中的应用,计算机科学与工程,2002。p. 1-8号。[2]LidorikisE , Bachlechner ME , Kalia RK , Nakano A , Vashishta P ,Voyiadjis GZ.多尺度原子连续模拟的耦合长度尺度:Si/Si 3 N4纳米像素中原子诱导的应力分布。物理学评论快报2001;87:86104-1-86104-4。[3][10]李文忠,李文忠.并行计算机上材料模拟的有限元/分子动力学/电子密度泛函混合方法。Comput Phys Comm2001;138:143-54.[4]Ogata S,Shimojo F,Kalia RK,Nakano A,Vashishta P. 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