LAMMPSを使うための環境整備状況と支援体制

(1)

LAMMPS入門２

高度情報科学技術研究機構（

RIST）

(2)

Outline

• 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

• 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)

(4)

Introduction

• LAMMPS

http://lammps.sandia.gov/

• OCTA

http://www.octa.jp/index_jp.html

• MODYLAS

http://www.modylas.org/

• その他

–

Gromacs、NAMD、DL-POLY : 海外のアプリ

–

GENESIS : 国産のアプリ

4

古典

MDの代表的なアプリ（オープンソース）

(5)

材料系分子シミュレーションの現象スケール

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

粗視化分子動力学

OCTA

nm

μm

mm

ps

ns

fs

μs

時間スケール

(sec)

空間スケール

_(m)

（注）厳密なものではない

あくまで目安

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

ms

5

(6)

LAMMPSについて

(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

–

GUI支援ツール（Windows）を用いる

–

MateriApps Live!

http://cmsi.github.io/MateriAppsLive/

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

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

インストール方法などの詳細は、

HPCIポータルサイトの

http://www.hpci-office.jp/materials/LAMMPS_introduction_160219_yoshizawa.pdf

7

(8)

LAMMPSのGUIアプリ（１）

• J-OCTA

https://cae.jsol.co.jp/product/material/jocta/

– 2005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

(9)

LAMMPSのGUIアプリ（２）

• Winmostar

https://winmostar.com/

– 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)

(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）

http://lammps.sandia.gov/prepost.html

• 可視化ツール（後述）

–

VMD

http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd

–

OVITO

http://www.ovito.org

10

OVITO

(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：

4,000、 256,000、 204,8000

(12)

LAMMPSのexamples

12

http://lammps.sandia.gov/doc/Section_example.html

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

・

(13)

LAMMPS の examples/melt（１）

13

melt: FCC格子状に並んだLJ粒子が溶けて拡散

# 3d Lennard-Jones melt units lj atom_style atomic lattice fcc 0.8442

region box block 0 10 0 10 0 10 create_box 1 box

create_atoms 1 box mass 1 1.0

velocity all create 3.0 87287 pair_style lj/cut 2.5

pair_coeff 1 1 1.0 1.0 2.5 neighbor 0.3 bin

neigh_modify every 20 delay 0 check no fix 1 all nve

入力ファイル：

in.melt

力場パラメータの設定速度の設定 Lennard-Jones（LJ） 古典粒子格子定数： FCC 0.8442 シミュレーションボックスの指定 NVEアンサンブル

(14)

14

#dump id all atom 50 dump.melt

#dump 2 all image 25 image.*.jpg type type & # axes yes 0.8 0.02 view 60 -30

#dump_modify 2 pad 3

#dump 3 all movie 25 movie.mpg type type & # axes yes 0.8 0.02 view 60 -30

#dump_modify 3 pad 3 thermo 50 run 250

入力ファイル：

in.melt （続き）

# は、コメントアウト dump：出力形式の指定 計算実行（step）数

LAMMPS の examples/melt（２）

(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 0 10 0 10 0 10

• 原子数

：

256,000

region box block 0 40 0 40 0 40

• 原子数

：

204,8000

(16)

LAMMPS の examples/melt：実行結果（１）

16

Step Temp E_pair E_mol TotEng Press

0 3 -6.7733681 0 -2.2744931 -3.7033504 50 1.6758903 -4.7955425 0 -2.2823355 5.670064 100 1.6458363 -4.7492704 0 -2.2811332 5.8691042 150 1.6324555 -4.7286791 0 -2.280608 5.9589514 200 1.6630725 -4.7750988 0 -2.2811136 5.7364886 250 1.6275257 -4.7224992 0 -2.281821 5.9567365

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

(17)

LAMMPS の examples/melt：実行結果（２）

17

MPI task timing breakdown:

Section | min time | avg time | max time |%varavg| %total --- Pair | 0.51688 | 0.51688 | 0.51688 | 0.0 | 84.69 Neigh | 0.067366 | 0.067366 | 0.067366 | 0.0 | 11.04 Comm | 0.011268 | 0.011268 | 0.011268 | 0.0 | 1.85 Output | 8.7261e-05 | 8.7261e-05 | 8.7261e-05 | 0.0 | 0.01 Modify | 0.011968 | 0.011968 | 0.011968 | 0.0 | 1.96 Other | | 0.002732 | | | 0.45 Nlocal: 4000 ave 4000 max 4000 min

Histogram: 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Nghost: 5499 ave 5499 max 5499 min Histogram: 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Neighs: 151513 ave 151513 max 151513 min Histogram: 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Total # of neighbors = 151513 Ave neighs/atom = 37.8783 Neighbor list builds = 12 Dangerous builds not checked Total wall time: 0:00:00

LAMMPS内のタイマーによって実行時間がわかる

(18)

LAMMPS の examples/melt：実行結果（３）

18 実行時間（時：分：秒） FX10 プロセス数 1 4 16 256 576 4,000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

• 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

※すべてフラット_{MPIによる実行} iMac：2.8 GHz Intel Core i7

(19)

プロセス数の見積もり

FX10

examples/melt

フラット

MPI（原子数：4,000、256,000、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

(20)

LAMMPSの「京」での性能

図：未架橋フェノールの並列化効率計算結果

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

20

(21)

LAMMPSの高速化関連パッケージ

5.3. Packages with optimized styles

http://lammps.sandia.gov/doc/Section_example.html

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

256,000 atoms with -sf opt

2,048,000 atoms with -sf opt

OPT Packageを使うことによ

り、実行時間が短縮される。

(22)

22

入力ファイル（

in.melt）において

# 3d Lennard-Jones melt units lj atom_style atomic lattice fcc 0.8442

region box block 0 10 0 10 0 10 create_box 1 box

create_atoms 1 box mass 1 1.0

velocity all create 3.0 87287 pair_style lj/cut 2.5

pair_coeff 1 1 1.0 1.0 2.5 neighbor 0.3 bin

neigh_modify every 20 delay 0 check no fix 1 all nve

dump id all atom 50 dump.melt #dump 2 all image 25 image.*.jpg type type &

# axes yes 0.8 0.02 view 60 -30 #dump_modify 2 pad 3

#dump 3 all movie 25 movie.mpg type type &

# axes yes 0.8 0.02 view 60 -30 #dump_modify 3 pad 3 thermo 50 run 250

LAMMPSの可視化：VMDで可視化する

# を取る

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。

(23)

VMDで可視化する（２）

• VMDの起動

• dump.melt を開く

①

(24)

VMDで可視化する（３）

• ファイルタイプの選択

 「LAMMPS Trajectory」

24

①

②

(25)

VMDで可視化する（４）

(26)

VMDで可視化する（５）

• 表示形式の調整

26

①

②

④

③

0.2くらいに調整

(27)

VMDで可視化する（６）

(28)

VMDで可視化する（７）

• MDスタート

28

(29)

LAMMPSを使うための環境整備状況と支援体制

LAMMPS入門２

高度情報科学技術研究機構（

RIST）

Outline

• 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

•

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

Introduction

•

LAMMPS

http://lammps.sandia.gov/

•

OCTA

http://www.octa.jp/index_jp.html

•

MODYLAS

http://www.modylas.org/

• その他

–

Gromacs、NAMD、DL-POLY : 海外のアプリ

–

GENESIS : 国産のアプリ

古典

MDの代表的なアプリ（オープンソース）

材料系分子シミュレーションの現象スケール

量子化学

分子動力学

LAMMPS

MODYLAS

粗視化分子動力学

OCTA

nm

μm

mm

ps

ns

fs

μs

時間スケール

(sec)

空間スケール

(m)

（注）厳密なものではない

あくまで目安

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

ms

LAMMPSについて

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

–

GUI支援ツール（Windows）を用いる

–

MateriApps Live!

http://cmsi.github.io/MateriAppsLive/

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

_(m)

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