Potopt 分子动力学套件

Potopt 是一个用分子动力学软件，用ISO C11实现，并利用MPI进行并行处理。

本手册记录了该软件的预发布版本，发布于 2014 年 2 月 26 日。实现和用户界面的详细信息尚未确定，并且在第一个版本发布之前很可能发生重大变化。

概述

$ perl yaml2pob.perl \
      < Initial-state.yaml > Initial-state.pob 
$ mpirun -n N \
      potopt Split [Iterations [Step [Tau2]]] \
      < Initial-state.pob > Output.log 2>&1 

摘要

Potopt 是一个基于 ISO C11 和 MPI 的代码（分别用 GCC 4.8.2 和 Open MPI 1.6.5 测试），它可以求解用户指定质量、初始位置和速度的粒子系统运动方程。这些方程基于Morse 势，每个相互作用的粒子对（可能是共享化学键或以其他方式相关的粒子）都指定了参数。

给定于 mpirun(1) 的 -n N 参数指定要运行的进程数。有关更多信息，请参阅所用 MPI 实现的文档。

Split 参数当前是必需的，它是一个用空格分隔的正整数字符串，用于指定每个进程要模拟的粒子数。当然，这些数字应该加起来等于所考虑系统中的粒子总数，例如，在单个进程 (-n 1) 内模拟 22 个原子的石墨烯样本系统，可以使用 22，两个进程 (-n 2) 可以使用 '11 11'，三个进程 (-n 3) 可以使用 '7 8 7'，等等。

Iterations 是要执行的迭代次数，默认为 64。65536 或更大的值可能更实际。

Step 是初始时间步长（以秒为单位），默认为 1e-18（或 1 as），但约为 2e-19 的值可能是更合适的选择。然而，该软件将持续尝试找到最佳的时间步长，基于 main_loop () 中设置的约束条件（查看那里的 redo_p 局部变量）。

Tau2 是系统应失去一半动能的特征时间，默认为 4e-18（或 4 as）。

基于 YAML 的输入格式

模拟代码需要一个特定于应用程序（并且可能依赖于平台）的二进制编码流，该流由使用辅助 yaml2pob.perl Perl 脚本从YAML 流中生成。

输入 YAML 流可能如下所示（对于单个六元碳环，忽略氢原子）。

---
xyz:
  - { a: 0, xyz: [ 0.0, 7.104999999999999e-11, 0 ] }
  - { a: 1, xyz: [ 1.2306220987776874e-10, 0.0, 0 ] }
  - { a: 2, xyz: [ 2.461244197555375e-10, 7.104999999999999e-11, 0 ] }
  - { a: 3, xyz: [ 0.0, 2.1315e-10, 0 ] }
  - { a: 4, xyz: [ 1.2306220987776874e-10, 2.842e-10, 0 ] }
  - { a: 5, xyz: [ 2.461244197555375e-10, 2.1315e-10, 0 ] }
bonds:
  - { a: 0, b: 1 }
  - { a: 0, b: 3 }
  - { a: 1, b: 2 }
  - { a: 2, b: 5 }
  - { a: 3, b: 4 }
  - { a: 4, b: 5 }

xyz 部分指定了粒子（原子），而 bonds 指定了用于模拟化学键的w:Morse 势的参数。

参数如下。

粒子

• a – 唯一的粒子标识符（可以是任何字符串）；
• xyz – 粒子的初始位置；
• v – （可选） 粒子的初始速度；默认为零向量；
• m – （可选） 粒子的质量；默认为 1.660539e-27，或 1.660539 × 10⁻²⁷ g，这可能是单个w:碳原子的质量近似值。

键

• a, b – 共享键的粒子的标识符；
• aa, r, D – （可选） Morse 势参数；默认为 2.625e10, 1.421e-10, 和 6.03105e-19，这些是 C─C 单键的可能值。

请注意，除了表示转换之外，所描述的 Perl 辅助程序将稍微改变粒子的初始位置和速度，根据代码中的 $perturb 和 $pert_v 变量（指定相应变化的标准差）。这是作为测试措施和一种可能的方式来推动系统脱离局部最小值，如果初始状态对应于局部最小值。

输出

结果系统状态将发送到stdout，格式为用空格分隔的值。这些值是质量、位置（3 个值）和速度（3 个值）。

构建

Potopt 可执行文件可以用GNU C 编译器构建，在GNU Make下运行，如下所示。（不需要 Makefile）。

$ cp -- ns8xrqxiojtkiin4drpx4ne19y.c potopt.c 
$ LC_ALL=C make CC=mpicc CFLAGS='-g -O2 -Wall -std=gnu11' \
      LDFLAGS=-lm   potopt 

或者，可以使用以下简单的 GNUmakefile 文件，GNU Make 调用变为 $ LC_ALL=C make potopt。

VPATH   = $(srcdir)
CC      = mpicc
CFLAGS  = -g -O2 -Wall -std=gnu11
LDFLAGS = -lm

all: potopt

错误

Split 参数应该被设置为可选。

模拟代码以特定于应用程序（并且可能依赖于平台）的编码读取二进制文件。使用X.690（DER 或 BER）中指定的编码，或者可能是NetCDF，可能是一个更好的选择。

更糟糕的是，虽然模拟代码从二进制文件读取初始系统状态（该文件可以从YAML 基文本流创建），但结果状态改为保存为Awk 和Gnuplot 友好的用空格分隔的值形式，这需要一个单独的程序（在此未提供）将其转换为适合继续模拟的东西。

一些详细信息以某种冗长且不易解析（例如，使用 Awk 或 Gnuplot）的文本格式报告到stderr 上的每次迭代。对于数万次迭代，结果流的大小最终可能达到数十兆字节。

没有适当的错误报告。该代码改为依赖于一堆 assert () 宏调用。

也没有适当的命令行界面。

还请查看代码中的 FIXME: 注释。

可用性

此处记录的 Potopt 组件的预发布版本可从以下位置获得

• http://am-1.org/~ivan/src/ns8xrqxiojtkiin4drpx4ne19y.c – 模拟代码本身；
• http://am-1.org/~ivan/src/gpqfyhge73tgcr4dkfp9xydju8.perl – YAML 到二进制转换代码；
• http://am-1.org/~ivan/doc-files/qdzyppoeigu1f8gj4mh3m41b1d.yaml – 22 个原子的石墨烯样本系统。

作者

Potopt 由 Ivan Shmakov 编写。

Potopt 是自由软件：您可以在 BSD 类 许可证（包含在代码中）的条款下重新分发和/或修改其当前版本。请注意，但是，许可证可能会在 0.1 版本发布之前或时更改为 GNU 通用公共许可证 版本 3。

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另请参阅

• w:Graphene
• v:User:Ivan Shmakov/Potopt 2014
• v:ru:Участник:Ivan Shmakov/Параллельные вычисления в моделировании графена 2014