邁高科技MatCloud+再出新品：云端開(kāi)展LAMMPS計(jì)算，快速入門分子動(dòng)力學(xué)

2022年4月15日，北京邁高材云科技有限公司召開(kāi)產(chǎn)品發(fā)布會(huì)，正式宣布MatCloud+推出全新基于LAMMPS的分子動(dòng)學(xué)計(jì)算程序包MatCloud-MD，并集成融合于MatCloud+材料云。這意味著，用戶僅通過(guò)瀏覽器，基于MatCloud+材料云，就可方便、快捷開(kāi)展分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算，快速形成自己的數(shù)據(jù)庫(kù)。

基于MatCloud+ 材料云開(kāi)展分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算， 帶給大家一種全新的LAMMPS使用模式，能幫助大家擺脫LAMMPS安裝步驟繁瑣、力場(chǎng)參數(shù)匹配困難、參數(shù)設(shè)置易出錯(cuò)、后處理操作復(fù)雜、及計(jì)算集群搭建的煩惱，對(duì)于分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件的初學(xué)者來(lái)說(shuō)是一大新的體驗(yàn)！

MatCloud-MD分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序包，相比較于其它分子動(dòng)力學(xué)程序包，最大特點(diǎn)就是其“云原生”理念。云原生（Cloud Native）理念，最早由Matt Stine提出，微軟將其定義為“云原生體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)是一種設(shè)計(jì)、構(gòu)造和操作在云中構(gòu)建并充分利用云計(jì)算模型的工作負(fù)載方法”。在標(biāo)準(zhǔn)LAMMPS分子動(dòng)力學(xué)程序上，邁高科技不僅提供了與MatCloud+材料云的接口程序，還進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)函數(shù)擬合算法、參數(shù)智能推薦算法、輸入結(jié)構(gòu)統(tǒng)一算法，自動(dòng)后處理引擎，組件化引擎、圖形化引擎，增強(qiáng)的物性計(jì)算等程序，形成了具有云原生特點(diǎn)的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序包：MatCloud-MD 。通過(guò)MatCloud+高通量多尺度材料集成計(jì)算材料云，可實(shí)現(xiàn)勢(shì)能函數(shù)自動(dòng)擬合、參數(shù)智能推薦、自動(dòng)前處理和后處理、功能組件化、使用圖形化、云端拖拽式流程設(shè)計(jì)等功能，使用戶僅通過(guò)瀏覽器就可在線開(kāi)展分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集和管理，極大地方便用戶開(kāi)展分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算，

MatCloud+材料云也是國(guó)內(nèi)首個(gè)實(shí)現(xiàn)LAMMPS分子動(dòng)力學(xué)的材料智能計(jì)算平臺(tái)（http://matcloudplus.com），在繼承LAMMPS強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)上，更實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)LAMMPS所不支持的高通量計(jì)算、力場(chǎng)參數(shù)自動(dòng)匹配、任務(wù)監(jiān)控全程圖形化展示、參數(shù)自動(dòng)化設(shè)置、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)入庫(kù)、數(shù)據(jù)自動(dòng)化學(xué)習(xí)等功能，全面提升用戶使用LAMMPS的效率。

本次發(fā)布會(huì)聯(lián)合主流線上平臺(tái)實(shí)時(shí)在線互動(dòng)，還有生動(dòng)的產(chǎn)品實(shí)操講解，吸引了近兩千名用戶在線參加本次發(fā)布會(huì)，收到用戶的好評(píng)。

一．標(biāo)準(zhǔn)LAMMPS使用存在的困難

基于牛頓方程的分子動(dòng)力學(xué)研究方法已經(jīng)應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，利用分子動(dòng)力學(xué)的文章常占據(jù)各大期刊的封面。但由于LAMMPS是一款非圖形化界面程序，并且參數(shù)使用較為復(fù)雜，對(duì)于使用者有較高的門檻。其使用難度主要有以下幾個(gè)方面：

安裝步驟繁瑣：不同于Windows下的軟件安裝，多次點(diǎn)擊即可輕松安裝使用，LAMMPS的安裝需要熟悉Linux, 甚至涉及一些編程，這對(duì)于沒(méi)有編程基礎(chǔ)的用戶來(lái)說(shuō)十分困難。

力場(chǎng)匹配：力場(chǎng)參數(shù)匹配是經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算的關(guān)鍵。力場(chǎng)參數(shù)匹配難點(diǎn)包括：不同力場(chǎng)類型的文件格式不同；需要手動(dòng)為不同匹配環(huán)境的原子設(shè)置力場(chǎng)數(shù)據(jù)；力場(chǎng)選擇性多，如何找到與自己匹配的力場(chǎng)等。

參數(shù)設(shè)置易出錯(cuò)：LAMMPS的輸入文件有特定格式，以in文件為例，它控制主要的模擬參數(shù)，in文件中的每個(gè)參數(shù)有特定的書(shū)寫格式，掌握上千個(gè)參數(shù)的使用成為初學(xué)者的一大阻礙，并且經(jīng)常會(huì)由于拼寫和格式的問(wèn)題導(dǎo)致任務(wù)報(bào)錯(cuò)，嚴(yán)重影響科研進(jìn)度。

后處理復(fù)雜：通過(guò)LAMMPS可以獲取材料的諸多性質(zhì)，但大部分性質(zhì)需要通過(guò)代碼或者第三方軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，增加了初學(xué)者的學(xué)習(xí)難度。結(jié)果大部分也存在儲(chǔ)存難、易丟失的問(wèn)題，數(shù)據(jù)之間無(wú)聯(lián)系，后期也難以復(fù)用數(shù)據(jù)，給計(jì)算造成了嚴(yán)重困擾。

二．MatCloud-MD讓分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算更加便捷：瀏覽器開(kāi)展計(jì)算，力場(chǎng)自動(dòng)匹配， 數(shù)據(jù)自動(dòng)入庫(kù)等

MatCloud-MD 分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序包讓LAMMPS分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算更加便捷，如瀏覽器開(kāi)展計(jì)算，力場(chǎng)自動(dòng)匹配， 數(shù)據(jù)自動(dòng)入庫(kù)等。MatCloud-MD 分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序包的主要?jiǎng)?chuàng)新，包括如下的一些核心算法程序：

與MatCloud+材料云的API接口程序：云端開(kāi)展分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算

傳統(tǒng)開(kāi)展分子動(dòng)力學(xué)方法，LAMMPS需要下載、編程安裝，學(xué)習(xí)編程對(duì)于零基礎(chǔ)的用戶存在一定難度，第一步安裝軟件就浪費(fèi)了大量時(shí)間。MatCloud-MD 提供的與MatCloud+材料云的API接口程序，使得用戶通過(guò)一個(gè)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器，在網(wǎng)頁(yè)上登錄即可使用LAMMPS，解決了LAMMPS安裝的難題，并且作為云平臺(tái)，可以隨時(shí)開(kāi)展計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)應(yīng)用，不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制。

使用標(biāo)準(zhǔn)LAMMPS傳統(tǒng)軟件過(guò)程，用戶不僅需要購(gòu)買計(jì)算集群，還需要編譯安裝、準(zhǔn)備提交腳本等，這需要用戶具備一定的Linux操作能力。通過(guò)MatCloud-MD提供的與MatCloud+材料云接口程序，可直接使用MatCloud+對(duì)接的國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)超算資源，用戶不需要考慮集群和軟件配置環(huán)境的問(wèn)題，搭建好工作流程，選擇超算，點(diǎn)擊提交按鈕就可完成計(jì)算的提交。

另外，MatCloud-MD通過(guò)與MatCloud+的接口程序， 支持拖拽式流程實(shí)現(xiàn)了批量任務(wù)的提交，一次性可以高通量計(jì)算多個(gè)結(jié)構(gòu)的多個(gè)性質(zhì)，整個(gè)工作流程無(wú)需人為操作任何文件，計(jì)算任務(wù)完美銜接，不僅最大化利用了碎片化時(shí)間，也杜絕了由于誤操作導(dǎo)致的各種問(wèn)題。

圖 1.通過(guò)與MatCloud+材料云的接口， 僅需三步即可實(shí)現(xiàn)分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算任務(wù)

力場(chǎng)自動(dòng)分配算法：自動(dòng)分配力場(chǎng)

作為分子動(dòng)力學(xué)的使用基礎(chǔ)，MatCloud-MD分子動(dòng)力學(xué)程序包通過(guò)自研算法實(shí)現(xiàn)了力場(chǎng)的自動(dòng)分配，將傳統(tǒng)力場(chǎng)分配復(fù)雜的步驟簡(jiǎn)化為3步即可完成，并且支持當(dāng)前應(yīng)用最廣的幾種力場(chǎng)：如分子力場(chǎng)(PCFF、CVFF、Dreiding、DreidingX6、Universal、UniversalX6等)、eam、和反應(yīng)力場(chǎng)，用戶只需選擇力場(chǎng)點(diǎn)擊“Auto Assign”即可實(shí)現(xiàn)力場(chǎng)自動(dòng)分配，為用戶提供了更加簡(jiǎn)便、智能、高效的使用！并且融合更多力場(chǎng)文件的力場(chǎng)庫(kù)正在不斷增加。

此外，MatCloud-MD還提供了力場(chǎng)文件的上傳程序，支持用戶將更加適用于本體系的力場(chǎng)上傳。

圖形化引擎：分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算圖形化，流程化

MatCloud-MD分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序包， 重新定義了LAMMPS軟件的使用方法，通過(guò)圖形界面的方式使用戶拜托Linux操作界面，提交任務(wù)無(wú)需輸入命令，只需點(diǎn)擊“提交”按鈕即可。以“工作流”的方式實(shí)現(xiàn)分子模擬的各個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，降低了用戶使用LAMMPS的門檻。計(jì)算完畢直接得到結(jié)果，且數(shù)據(jù)自動(dòng)入庫(kù)。

圖2 一個(gè)基于MatCloud+開(kāi)展MatCloud-MD 分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算的工作流

4 組件化引擎：功能組件化，便于復(fù)雜流程的自定義設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)LAMMPS的輸入文件都有特定的格式，初學(xué)者需要掌握上千個(gè)參數(shù)的使用，并且常因拼寫格式導(dǎo)致任務(wù)報(bào)錯(cuò)。MatCloud-MD分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序包，根據(jù)功能的不同，從LAMMPS的各個(gè)模塊中將獨(dú)立的功能提取出來(lái)，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，形成了一個(gè)個(gè)組件，為每個(gè)組件預(yù)設(shè)了關(guān)鍵參數(shù)，用戶僅通過(guò)點(diǎn)選方式或直接輸入即可設(shè)置參數(shù)，不需要考慮格式問(wèn)題，操作靈活簡(jiǎn)便。另外，MatCloud-MD為每個(gè)參數(shù)都提供了詳細(xì)中文使用幫助，介紹參數(shù)的功能，極大地減少了用戶調(diào)研參數(shù)使用所花費(fèi)的時(shí)間。

5 支持更多的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)計(jì)算MatCloud-MD 分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序包，除了支持標(biāo)準(zhǔn)LAMMPS分子動(dòng)力學(xué)所支持的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)計(jì)算外，通過(guò)MatCloud-MD自研的知識(shí)庫(kù)，還支持基礎(chǔ)LAMMPS所不支持的一些物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的計(jì)算（如斷裂強(qiáng)度等），且所支持的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)計(jì)算，還在不斷增加。

6 后處理引擎：計(jì)算數(shù)據(jù)自動(dòng)入庫(kù)和結(jié)果可視化

標(biāo)準(zhǔn)的LAMMPS計(jì)算任務(wù)正常結(jié)束之后，傳統(tǒng)情況下，用戶需要利用后處理軟件或腳本自行處理數(shù)據(jù)（如OVITO），處理得到的結(jié)果大多保存在本地電腦或者云盤中，數(shù)據(jù)相互之間無(wú)關(guān)聯(lián)，也不能直接進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的可視化（如能帶，態(tài)密度，聲子譜）。一個(gè)課題組團(tuán)隊(duì)中，人員的流進(jìn)流出，往往導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失，后期想要復(fù)用數(shù)據(jù)難度極大。

因此，在LAMMPS標(biāo)準(zhǔn)程序的基礎(chǔ)上，MatCloud-MD開(kāi)發(fā)了后處理引擎，使得在標(biāo)準(zhǔn)LAMMPS計(jì)算程序完成后，MatCloud-MD不僅可以自動(dòng)提取輸出文件中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，還可以將得到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)自動(dòng)實(shí)時(shí)保存在云端數(shù)據(jù)庫(kù)，在保證了數(shù)據(jù)安全的基礎(chǔ)上，還可以利用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次篩選和復(fù)用。針對(duì)后處理結(jié)果常丟失，無(wú)法充分利用，MatCloud-MD支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)功能，支持對(duì)上傳的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類管理，形成個(gè)人結(jié)構(gòu)專用數(shù)據(jù)庫(kù)；計(jì)算結(jié)果也可以自動(dòng)存入物性數(shù)據(jù)庫(kù)，避免結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)丟失；結(jié)果物性深度搜索形成物性匯總用于人工智能。數(shù)據(jù)庫(kù)與人工智能功能無(wú)縫對(duì)接，幫助快速實(shí)現(xiàn)材料性能預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)。

圖3 MatCloud-MD實(shí)現(xiàn)計(jì)算數(shù)據(jù)自動(dòng)入庫(kù)

此外，計(jì)算任務(wù)正常結(jié)束之后，傳統(tǒng)情況下，用戶需要利用后處理軟件或腳本自行處理數(shù)據(jù)，MatCloud-MD對(duì)于計(jì)算結(jié)果的獲取更加簡(jiǎn)便和智能。在利用某個(gè)組件計(jì)算完成之后，MatCloud-MD提供了結(jié)果自動(dòng)可視化程序，無(wú)需用戶自己操作，計(jì)算結(jié)果一鍵獲取。

圖4 MatCloud-MD分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算一旦計(jì)算結(jié)束，可立即得到計(jì)算結(jié)果，并可視化呈現(xiàn)

 三．總結(jié)與展望

  通過(guò)集成MatCloud-MD 面向云原生的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序包，MatCloud+材料云也是國(guó)內(nèi)首個(gè)實(shí)現(xiàn)LAMMPS分子動(dòng)力學(xué)的材料智能計(jì)算平臺(tái)（http://matcloudplus.com ）。在繼承LAMMPS強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)上，更實(shí)現(xiàn)了LAMMPS所不支持的高通量計(jì)算、力場(chǎng)參數(shù)自動(dòng)匹配、任務(wù)監(jiān)控全程圖形化展示、參數(shù)自動(dòng)化設(shè)置、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)入庫(kù)、數(shù)據(jù)自動(dòng)化學(xué)習(xí)等功能，提升用戶LAMMPS的使用效率。

MatCloud-MD分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序包， 除將進(jìn)一步完善與MatCloud+材料云的接口程序，還將進(jìn)一步開(kāi)發(fā)或完善機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)函數(shù)擬合算法、參數(shù)智能推薦算法、輸入結(jié)構(gòu)統(tǒng)一算法，自動(dòng)后處理引擎，組件化引擎、圖形化引擎，增強(qiáng)的物性計(jì)算等程序。通過(guò)MatCloud+高通量多尺度材料集成計(jì)算材料云，讓用戶可以更便捷使用勢(shì)能函數(shù)自動(dòng)擬合、參數(shù)智能推薦、自動(dòng)前處理和后處理、功能組件化、使用圖形化、云端拖拽式流程設(shè)計(jì)等功能，更便捷、高效地開(kāi)展分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算，

附：邁高科技簡(jiǎn)介

北京邁高材云科技有限公司是中國(guó)新材料研發(fā)數(shù)字化領(lǐng)軍企業(yè)，專注于材料科學(xué)領(lǐng)域數(shù)字化的開(kāi)拓與創(chuàng)新，公司在中科院大力推動(dòng)下組建，核心產(chǎn)品“MatCloud+材料云”經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)十余年的打造，形成了集材料數(shù)據(jù)庫(kù)、高通量計(jì)算篩選、多尺度模擬計(jì)算、人工智能技術(shù)、智能實(shí)驗(yàn)的“計(jì)算、 數(shù)據(jù)、AI、實(shí)驗(yàn)”四位一體的材料領(lǐng)域數(shù)字化解決方案，為我們的政府、企業(yè)、院?？蛻粼谘邪l(fā)效能和數(shù)字化轉(zhuǎn)型上全面提升價(jià)值。1.MatCloud+平臺(tái)具有圖形化可視化的操作界面，支持調(diào)用多種量子力學(xué)（第一性原理）、經(jīng)典分子力學(xué)動(dòng)力學(xué)程序包， 如MatCloud-QE, MatCloud-MD, VASP、Gaussian，等實(shí)現(xiàn)高通量、高并發(fā)計(jì)算。平臺(tái)重新定義并統(tǒng)一了所集成模擬軟件的操作方式，通過(guò)將模擬軟件功能（如結(jié)構(gòu)優(yōu)化、熱力學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)）組件化呈現(xiàn)，拖拽組件搭建模擬預(yù)測(cè)流程（工作流），實(shí)現(xiàn)了模擬計(jì)算全流程自動(dòng)化。2.MatCloud+可以分享和復(fù)制已有的工作流，實(shí)現(xiàn)工作流的快速?gòu)?fù)用。也能修改平臺(tái)自帶組件的默認(rèn)參數(shù)值，并將新參數(shù)值保存為默認(rèn)參數(shù)，形成定制化組件。同時(shí)也具備可視化作業(yè)管理、監(jiān)控、查看、統(tǒng)計(jì)等功能，對(duì)工作流計(jì)算生成的模擬物性數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、檢索、分析、挖掘。3.MatCloud+平臺(tái)具有豐富的機(jī)器學(xué)習(xí)算法組件，拖拽組件搭建AI預(yù)測(cè)流程，實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)全流程（數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征工程、模型訓(xùn)練、模型評(píng)估）自動(dòng)化，構(gòu)建材料“結(jié)構(gòu)-成分-工藝-性能”的關(guān)系模型。4.MatCloud+以云計(jì)算方式使用戶無(wú)需安裝軟件，使用瀏覽器，通過(guò)賬號(hào)登錄，即可調(diào)用多個(gè)優(yōu)質(zhì)超算資源，進(jìn)行材料的結(jié)構(gòu)模型搭建、模擬材料關(guān)鍵性能。邁高科技在材料數(shù)字化研發(fā)和設(shè)計(jì)領(lǐng)域擁有深厚的技術(shù)積淀和領(lǐng)先的市場(chǎng)份額，在國(guó)內(nèi)已有超5000家材料科學(xué)領(lǐng)域企業(yè)、院校選擇邁高科技的產(chǎn)品和服務(wù)，來(lái)自港澳臺(tái)及海外的注冊(cè)用戶已超300家材料科學(xué)領(lǐng)域知名院校和企業(yè)，致力于成為中國(guó)最有價(jià)值的新材料研發(fā)數(shù)字化服務(wù)提供商。

轉(zhuǎn)自：鳳凰網(wǎng)

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