LAMMPSを使うための環境整備状況と支援体制

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こうごあざみ
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1 LAMMPS 入門 2 高度情報科学技術研究機構 (RIST) 吉澤香奈子 1

2 Introduction Outline 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 2

3 INTRODUCTION 3

4 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 Gromacs NAMD DL-POLY : 海外のアプリ GENESIS : 国産のアプリ 4

5 材料系分子シミュレーションの現象スケール ms μs 時間スケール (sec) 粗視化分子動力学 OCTA ns ps fs 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 ( 注 ) 厳密なものではないあくまで目安空間スケール (m) nm μm mm 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 5

6 LAMMPS について 6

7 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 GUI 支援ツール (Windows) を用いる MateriApps Live! 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インストール方法などの詳細は HPCI ポータルサイトの 7

LAMMPS の GUI アプリ (1) J-OCTA https://cae.jsol.co.

8 LAMMPS の GUI アプリ (1) J-OCTA 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 8

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

9 LAMMPS の GUI アプリ (2) Winmostar 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 ) 9

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.

10 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 ) 可視化ツール ( 後述 ) VMD OVITO OVITO 10

11 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, , ,

12 LAMMPS の examples 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 12

13 LAMMPS の examples/melt(1) melt: FCC 格子状に並んだ LJ 粒子が溶けて拡散入力ファイル : in.melt # 3d Lennard-Jones melt units atom_style lj atomic Lennard-Jones(LJ) 古典粒子 lattice fcc region box block create_box 1 box create_atoms 1 box mass velocity all create pair_style lj/cut 2.5 pair_coeff 格子定数 : FCC シミュレーションボックスの指定速度の設定力場パラメータの設定 neighbor neigh_modify 0.3 bin every 20 delay 0 check no fix 1 all nve NVE アンサンブル 13

14 LAMMPS の examples/melt(2) 入力ファイル : in.melt ( 続き ) #dump id all atom 50 dump.melt #dump 2 all image 25 image.*.jpg type type & # axes yes view # はコメントアウト #dump_modify 2 pad 3 dump: 出力形式の指定 #dump 3 all movie 25 movie.mpg type type & # axes yes view #dump_modify 3 pad 3 thermo 50 run 250 計算実行 (step) 数 14

15 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 原子数 :256,000 region box block 原子数 :204,8000 region box block

16 LAMMPS の examples/melt: 実行結果 (1) 出力結果 ( 物理量 ) Step Temp E_pair E_mol TotEng Press 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 16

17 LAMMPS の examples/melt: 実行結果 (2) MPI task timing breakdown: Section min time avg time max time %varavg %total Pair Neigh Comm Output e e e Modify Other Nlocal: 4000 ave 4000 max 4000 min Histogram: Nghost: 5499 ave 5499 max 5499 min Histogram: Neighs: ave max min Histogram: Total # of neighbors = Ave neighs/atom = Neighbor list builds = 12 Dangerous builds not checked Total wall time: 0:00:00 全実行時間 LAMMPS 内のタイマーによって実行時間がわかる 17

18 LAMMPS の examples/melt: 実行結果 (3) imac:2.8 GHz Intel Core i7 実行時間 ( 時 : 分 : 秒 ) すべてフラット MPI による実行プロセス数 ,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 FX10 実行時間 ( 時 : 分 : 秒 ) 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 18

19 プロセス数の見積もり FX10 examples/melt フラット MPI( 原子数 :4, ,000 2,048,000) 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 19

LAMMPS の京での性能 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

20 LAMMPS の京での性能 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 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 ) を使用図 : 未架橋フェノールの並列化効率計算結果 20

LAMMPS の高速化関連パッケージ http://lammps.sandia.gov/doc/section_example.html 5.3.

21 LAMMPS の高速化関連パッケージ Packages with optimized styles 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 OPT Package を使うことにより実行時間が短縮される 2,048,000 atoms with -sf opt 256,000 atoms with -sf opt 21

22 LAMMPS の可視化 :VMD で可視化する入力ファイル (in.melt) において # 3d Lennard-Jones melt dump id all atom 50 dump.melt units lj atom_style atomic lattice fcc # を取る region box block create_box 1 box create_atoms 1 box mass velocity all create #dump 2 all image 25 image.*.jpg type type & # axes yes view #dump_modify 2 pad 3 #dump 3 all movie 25 movie.mpg type type & # axes yes view #dump_modify 3 pad 3 pair_style lj/cut 2.5 pair_coeff thermo 50 run 250 neighbor neigh_modify fix 0.3 bin every 20 delay 0 check no 1 all nve 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 22

23 VMD の起動 dump.melt を開く VMD で可視化する (2)

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

25 VMD で可視化する (4) ディスプレイの起動 (Lines の表示 ) 25

26 表示形式の調整 VMD で可視化する (5) くらいに調整 4 26

27 VMD で可視化する (6) ディスプレイ (VDW の表示 ) 27

28 MD スタート VMD で可視化する (7) ここをクリック 28

29 MateriApps LIVE! のご紹介 USB メモリから直接ブートできる Linux システム (Debian Live Linux) Windows Mac などで利用可インストール作業なしで物質科学アプリを実行できるバージョン 1.11 公開 (2016 年 9 月 5 日 ) MateriApps で紹介している公開アプリツールを収録 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 ( 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 /wiki/materiappslive-ova 29

LAMMPS入門

LAMMPS入門 LAMMPS 入門高度情報科学技術研究機構 (RIST) 吉澤香奈子 1 Introduction Outline 材料系ワークショップについて材料開発とシミュレーション分子動力学法 (MD) とは古典 MD の代表的なアプリ ( オープンソース ) LAMMPS とは LAMMPS を使い始めるには LAMMPS 利用支援 LAMMPS 利用環境 2 Introduction 材料系ワークショップ