اصطلاح شناسی

شبیه ساز: فراهم کننده ی بستری برای شبیه سازی سیستم های مختلف.

اتمی/ مولکولی: توانایی نرم افزار در شبیه سازی سیستم های اتمی و مولکولی (پیوندها).

بزرگ مقیاس: توانایی شبیه سازی سیستم های پر ذره.

به شدت موازی: توانایی نرم افزار در موازی سازی شبیه سازی های سنگین.

 

این نرم افزار با در اختیار داشتن میدان نیروهای (Force Field) متنوع فراهم کننده ی بستری مناسب برای شبیه سازی نمونه های مختلف از سیستم های اتمی و مولکولی گرفته تا انواع پروتئین ها و سیستم های زیستی می باشد. از مهمترین ویژگی های این نرم افزار می توان به توان بالای آن در شبیه سازی سیستم های پر ذره اشاره کرد. این بسته ی محاسباتی بر اساس نظریه ی دینامیک مولکولی کار می کند که در ابتدا در فیزیک نظری در دهه 1950 استفاده شد اما امروزه با گسترش حیطه کاربرد آن در علم مواد و زیست مولکولی نیز بکار می رود و قابلیت شبیه سازی سیستم های زیستی و مهندسی را دارا می باشد.

 

در مورد ساختارهای شبیه سازی شده با استفاده از این نرم افزار می توان به موارد زیر اشاره نمود:

• سیستم های پریودیک (کریستال ها)
• ذرات درشت دانه
• مولکول های ارگانیک
• فلزات
• پلیمرها
• DNA
• پروتئین
• ذرات کروی و بیضی گون با اندازه ی معین
• ...

 

ویژگی های فنی نرم افزار:

زبان برنامه نویسی: C++

سیستم عامل اجرایی: بر روی تمام سیستم عامل های موجود در بازار قابل اجرا می باشد و تنها کافیست کدها توسط کامپایلر های مخصوص خود اجرا گردند.

لایسنس: تحت پروانه GPL که از زیر مجموعه پروانه های فرهنگ گنو/لینوکس منتشر شده است به این معنی که دسترسی به کدها رایگان بوده و امکان تغییر کدها و انتشار دوباره آن مجاز و قانونی می باشد.

 

 

نقاط مثبت نرم افزار:

1- قابلیت اجرا به صورت موازی و سریال (روش معمولی).

2- قابلیت اجرا بر روی GPU ها: GPU به معنی هسته پردازش گرافیکی سیستم می باشد و انجام محاسبات گرافیکی بر عهده ی آن می باشد که این قابلیت موجب کم شدن بار محاسباتی CPU شده و محاسبات سریع تر صورت می پذیرد.

3- اجرای شبیه سازی ها با فایل های Input: این قابلیت به گونه ای موجب کارآمدی و انعطاف نرم افزار گردیده است.

4- متن باز.

5- قابلیت اجرای چند شبیه سازی به وسیله ی یک فایل Input.

6- قابلیت توسعه پذیری بالا.

7- امکان جفت شدن با سایر نرم افزارها.

8- پیش بینی حالت های مختلف شبیه سازی و پختگی کتابخانه های ویژه.

9- مستندات آموزشی و توسعه نرم افزاری کامل و به روز.

10- کاربرد پذیری بالا و خروجی های قابل قبول در جایگاههای مختلف.

 

 

نقاط منفی نرم افزار:

1- نداشتن واسط کاربری گرافیکی: برای اجرای نرم افزار نیاز به کار در محیط های متنی و دستورهای متنی داریم.

2- ناتوانی در تولید تصاویر گرافیکی متحرک در شبیه سازی های دینامیک مولکولی: نرم افزار لمپس در حقیقت فقط فایل های مختصات و اطلاعات خروجی را تولید کرده و برای ایجاد تصاویر گرافیکی متحرک به نرم افزارهای کمکی از قبیل VMD نیاز داریم که در ادامه این نرم افزار معرفی و توضیح داده خواهد شد.

3- ناتوانی در تولید نمودارهای اطلاعات خروجی.

4- ناتوانی در تعیین خودکار نیروهای اتمی و مولکولی: در شبیه سازی ها نیاز است که نیروها توسط کاربر تعیین شوند. البته این مسئله به نوعی موجب انعطاف در شبیه سازی شده و موجب آزاد گذاشتن شبیه ساز در انتخاب نیروها و بررسی اثر گذاری خاص آن نیرو شده است.

 

نمونه های زیر با نرم افزارهای Visualation به حالت گرافیکی در آمده اند:

 

 

 

خروجی های نرم افزار:

با استفاده از شبیه سازی های انجام شده توسط این بسته ی محاسباتی می توان بسیاری از ویژگی های ترمودینامیکی و کلاسیکی سیستم های مورد بررسی را بدست آورد. تعدادی از مهمترین خروجی های حاصل از اجرای بسته ی محاسباتی لمپس که با استفاده از آن می توان خواص مکانیکی و ترمودینامیکی مختلفی از سیستم شبیه سازی شده را محاسبه نمود را در زیر فهرست کرده ایم:

1- Log file شامل اطلاعات ترمودینامیکی سیستم شبیه سازی شده.

2- خروجی از مکان و سرعت هریک از اتم های شبیه سازی شده در هر لحظه دلخواه از زمان شبیه سازی شده.

3- نمایش مقادیر انرژی، دما، فشار و ... سیستم شبیه سازی شده.

4- میانگین گیری فضایی و زمانی از مشخصات تک تک اتم ها.

5- ارائه خروجی قابل نمایش گرافیکی از رفتار سیستم در بازه های زمانی شبیه سازی در فرمت هایی مختلف از قبیل XYZ, XTC, DCD, CFG.

و ...

 

 

قواعد کلی کدنویسی لمپس

چند نکته اساسی در مورد کلیه کدهای لمپس:

- هر خط غیر خالی به عنوان یک خط کد با معنا توسط لمپس شناخته می شود.

- دستورهای لمپس Case Sensitive هستند، بدین معنی که به بزرگ و کوچکی حروف حساس اند.

- حروف بزرگ (Upper-Case) برای نوشتن نام ها و آی دی ها استفاده می شوند.

- خط هایی از کد که با کاراکتر # شروع می شوند به عنوان توضیحات فرض می شوند و اجرا نخواهند شد و فقط به شبیه ساز در مورد کدها کمک می کنند.

 

 

ساختمان کدهای ورودی:

کدهای ورودی لمپس به صورت عمومی(پیشفرض) دارای 4 قسمت است:

1- قالب بندی (Initialization)

2- معرفی اتم ها و مولکول ها (Atom Definition)

3- تنظیمات و پیکربندی ها (Settings)

4- کدهای اجرایی (Run a Simulation)

 

دو بخش پایانی می توانند در یک کد به طور مکرر تکرار شوند. یعنی می توان با پیکربندی خاصی یک بار کد را اجرا نمود و سپس در ادامه ی کد پس از اعمال تغییرات موردنظر دوباره کدها را اجرا کرد و این روند می تواند به طور متوالی تکرار شده و نتایج خروجی با هم مقایسه شوند. در ادامه به طور خلاصه به تشریح هر کدام از 4 بخش فوق خواهیم پرداخت.

 

قالب بندی:

در این بخش پارامترهایی تنظیم خواهد شد که نیاز است قبل از تعریف اتم ها و مولکول ها یا خواندن فایل های ورودی، برای سیستم تعریف شده باشند. مهمترین دستورهای مرتبط با این بخش عبارتند از:

 

 

 

 معرفی اتم ها و مولکول ها:

برای معرفی اتم ها و مولکول ها در لمپس 3 روش در دسترس است:

1- خواندن اطلاعات ورودی از فایل های دیتا و ریستارت با دستورهای read_data و read_restart. در این فایل ها می توان ترکیب های مولکولی و ساختارهای مختلف را در شبیه سازی ها وارد نمود.

2- تعریف مستقیم اتم ها و شبکه های اتمی (بدون پیوندهای اتمی پیشفرض) با استفاده از دستورهای create_atom, create_box, region, lattice.

3- ترکیبی از دو روش بالا برای شبیه سازی های بزرگ و پیچیده (به کمک تکرار دستورهای دو شیوه ی فوق).

 

 

تنظیمات و پیکربندی ها:

پس از تعریف اتم ها و ساختارهای مولکولی حال سیستم آماده است تا پیکربندی های مختلفی بر آن اعمال شود. مانند حوزه و ضریب نیروهای بین مولکولی، پارامترهای اجرایی شبیه سازی، قواعد خروجی های شبیه سازی و ... . در ادامه به بخشی از تنظیمات قابل تعریف برای سیستم های شبیه سازی اشاره می کنیم:

- ضریب و حوزه تاثیر نیروهای بین اتمی و مولکولی با دستورهای زیر قابل تنظیم اند.

 

 

- پارامترهای مختلف شبیه سازی با دستورهای زیر تنظیم می شوند:

استفاده از دستورهای fix برای اعمال کردن ویژگی های مختلف اعم از حالت ها و شرایط مرزی، یکپارچگی زمان و ... .

 

 

- ویژگی های خروجی نیز با دستورهای زیر قابل تنظیم هستند:

 

 

کدهای اجرایی:

شبیه سازی مولکولی با استفاده از دستور run در لمپس اجرا می شود و دیگر کدهای مربوط به اجرای موازی(Parallel)  در این بخش قرار می گیرند.

- دستورهای ذکر شده ی بالا تنها بخش کوچکی از کل دستورهای قابل اعمال و اجرا در لمپس هستند به همین دلیل نیاز است که برای آشنا شدن کامل با دستورهای لمپس به Manual این نرم افزار رجوع شود.

 

نحوه نوشتن یک فایل ورودی:

در حالت کلی input file ورودی در لمپس باید دارای بخش های کلی زیر باشد:

 

 

تحلیل نمونه کد شبیه سازی دینامیک مولکولی در لمپس:

قالب بندی:

 

 

معرفی اتم ها و مولکول ها:

 

 

تنظیمات و پیکربندی ها:

 

 

 

نمایش خروجی ها:

 

 

 ----------------------------------------------

منبع : lammps.ir