邁高科技MatCloud+再出新品：云端開展LAMMPS計算，快速入門分子動力學(xué)

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

基于MatCloud+ 材料云開展分子動力學(xué)計算， 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、力場參數(shù)匹配困難、參數(shù)設(shè)置易出錯、后處理操作復(fù)雜、及計算集群搭建的煩惱，對于分子動力學(xué)計算軟件的初學(xué)者來說是一大新的體驗！

MatCloud-MD分子動力學(xué)計算程序包，相比較于其它分子動力學(xué)程序包，最大特點就是其“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、構(gòu)造和操作在云中構(gòu)建并充分利用云計算模型的工作負(fù)載方法”。在標(biāo)準(zhǔn)LAMMPS分子動力學(xué)程序上，邁高科技不僅提供了與MatCloud+材料云的接口程序，還進一步開發(fā)了機器學(xué)習(xí)勢函數(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，自動后處理引擎，組件化引擎、圖形化引擎，增強的物性計算等程序，形成了具有云原生特點的分子動力學(xué)計算程序包：MatCloud-MD 。通過MatCloud+高通量多尺度材料集成計算材料云，可實現(xiàn)勢能函數(shù)自動擬合、參數(shù)智能推薦、自動前處理和后處理、功能組件化、使用圖形化、云端拖拽式流程設(shè)計等功能，使用戶僅通過瀏覽器就可在線開展分子動力學(xué)計算和數(shù)據(jù)自動化采集和管理，極大地方便用戶開展分子動力學(xué)計算，

MatCloud+材料云也是國內(nèi)首個實現(xiàn)LAMMPS分子動力學(xué)的材料智能計算平臺（http://matcloudplus.com），在繼承LAMMPS強大優(yōu)勢上，更實現(xiàn)了基礎(chǔ)LAMMPS所不支持的高通量計算、力場參數(shù)自動匹配、任務(wù)監(jiān)控全程圖形化展示、參數(shù)自動化設(shè)置、數(shù)據(jù)實時入庫、數(shù)據(jù)自動化學(xué)習(xí)等功能，全面提升用戶使用LAMMPS的效率。

本次發(fā)布會聯(lián)合主流線上平臺實時在線互動，還有生動的產(chǎn)品實操講解，吸引了近兩千名用戶在線參加本次發(fā)布會，收到用戶的好評。

一．標(biāo)準(zhǔn)LAMMPS使用存在的困難

基于牛頓方程的分子動力學(xué)研究方法已經(jīng)應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，利用分子動力學(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，對于使用者有較高的門檻。其使用難度主要有以下幾個方面：

安裝步驟繁瑣：不同于Windows下的軟件安裝，多次點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，這對于沒有編程基礎(chǔ)的用戶來說十分困難。

力場匹配：力場參數(shù)匹配是經(jīng)典分子動力學(xué)計算的關(guān)鍵。力場參數(shù)匹配難點包括：不同力場類型的文件格式不同；需要手動為不同匹配環(huán)境的原子設(shè)置力場數(shù)據(jù)；力場選擇性多，如何找到與自己匹配的力場等。

參數(shù)設(shè)置易出錯：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文件中的每個參數(shù)有特定的書寫格式，掌握上千個參數(shù)的使用成為初學(xué)者的一大阻礙，并且經(jīng)常會由于拼寫和格式的問題導(dǎo)致任務(wù)報錯，嚴(yán)重影響科研進度。

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

二．MatCloud-MD讓分子動力學(xué)計算更加便捷：瀏覽器開展計算，力場自動匹配， 數(shù)據(jù)自動入庫等

MatCloud-MD 分子動力學(xué)計算程序包讓LAMMPS分子動力學(xué)計算更加便捷，如瀏覽器開展計算，力場自動匹配， 數(shù)據(jù)自動入庫等。MatCloud-MD 分子動力學(xué)計算程序包的主要創(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：云端開展分子動力學(xué)計算

傳統(tǒng)開展分子動力學(xué)方法，LAMMPS需要下載、編程安裝，學(xué)習(xí)編程對于零基礎(chǔ)的用戶存在一定難度，第一步安裝軟件就浪費了大量時間。MatCloud-MD 提供的與MatCloud+材料云的API接口程序，使得用戶通過一個網(wǎng)頁瀏覽器，在網(wǎng)頁上登錄即可使用LAMMPS，解決了LAMMPS安裝的難題，并且作為云平臺，可以隨時開展計算、機器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)應(yīng)用，不受時間、地點的限制。

使用標(biāo)準(zhǔn)LAMMPS傳統(tǒng)軟件過程，用戶不僅需要購買計算集群，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MatCloud-MD提供的與MatCloud+材料云接口程序，可直接使用MatCloud+對接的國內(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)境的問題，搭建好工作流程，選擇超算，點擊提交按鈕就可完成計算的提交。

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

圖 1.通過與MatCloud+材料云的接口， 僅需三步即可實現(xiàn)分子動力學(xué)計算任務(wù)

力場自動分配算法：自動分配力場

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

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

圖形化引擎：分子動力學(xué)計算圖形化，流程化

MatCloud-MD分子動力學(xué)計算程序包， 重新定義了LAMMPS軟件的使用方法，通過圖形界面的方式使用戶拜托Linux操作界面，提交任務(wù)無需輸入命令，只需點擊“提交”按鈕即可。以“工作流”的方式實現(xiàn)分子模擬的各個動態(tài)過程，降低了用戶使用LAMMPS的門檻。計算完畢直接得到結(jié)果，且數(shù)據(jù)自動入庫。

圖2 一個基于MatCloud+開展MatCloud-MD 分子動力學(xué)計算的工作流

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

標(biāo)準(zhǔn)LAMMPS的輸入文件都有特定的格式，初學(xué)者需要掌握上千個參數(shù)的使用，并且常因拼寫格式導(dǎo)致任務(wù)報錯。MatCloud-MD分子動力學(xué)計算程序包，根據(jù)功能的不同，從LAMMPS的各個模塊中將獨立的功能提取出來，進行二次開發(fā)，形成了一個個組件，為每個組件預(yù)設(shè)了關(guān)鍵參數(shù)，用戶僅通過點選方式或直接輸入即可設(shè)置參數(shù)，不需要考慮格式問題，操作靈活簡便。另外，MatCloud-MD為每個參數(shù)都提供了詳細中文使用幫助，介紹參數(shù)的功能，極大地減少了用戶調(diào)研參數(shù)使用所花費的時間。

5 支持更多的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)計算MatCloud-MD 分子動力學(xué)計算程序包，除了支持標(biāo)準(zhǔn)LAMMPS分子動力學(xué)所支持的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)計算外，通過MatCloud-MD自研的知識庫，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)的計算（如斷裂強度等），且所支持的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)計算，還在不斷增加。

6 后處理引擎：計算數(shù)據(jù)自動入庫和結(jié)果可視化

標(biāo)準(zhǔn)的LAMMPS計算任務(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)相互之間無關(guān)聯(lián)，也不能直接進行計算結(jié)果的可視化（如能帶，態(tài)密度，聲子譜）。一個課題組團隊中，人員的流進流出，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開發(fā)了后處理引擎，使得在標(biāo)準(zhǔn)LAMMPS計算程序完成后，MatCloud-MD不僅可以自動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)自動實時保存在云端數(shù)據(jù)庫，在保證了數(shù)據(jù)安全的基礎(chǔ)上，還可以利用數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行二次篩選和復(fù)用。針對后處理結(jié)果常丟失，無法充分利用，MatCloud-MD支持?jǐn)?shù)據(jù)庫功能，支持對上傳的結(jié)構(gòu)進行分類管理，形成個人結(jié)構(gòu)專用數(shù)據(jù)庫；計算結(jié)果也可以自動存入物性數(shù)據(jù)庫，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)庫與人工智能功能無縫對接，幫助快速實現(xiàn)材料性能預(yù)測與設(shè)計。

圖3 MatCloud-MD實現(xiàn)計算數(shù)據(jù)自動入庫

此外，計算任務(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對于計算結(jié)果的獲取更加簡便和智能。在利用某個組件計算完成之后，MatCloud-MD提供了結(jié)果自動可視化程序，無需用戶自己操作，計算結(jié)果一鍵獲取。

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

 三．總結(jié)與展望

  通過集成MatCloud-MD 面向云原生的分子動力學(xué)計算程序包，MatCloud+材料云也是國內(nèi)首個實現(xiàn)LAMMPS分子動力學(xué)的材料智能計算平臺（http://matcloudplus.com ）。在繼承LAMMPS強大優(yōu)勢上，更實現(xiàn)了LAMMPS所不支持的高通量計算、力場參數(shù)自動匹配、任務(wù)監(jiān)控全程圖形化展示、參數(shù)自動化設(shè)置、數(shù)據(jù)實時入庫、數(shù)據(jù)自動化學(xué)習(xí)等功能，提升用戶LAMMPS的使用效率。

MatCloud-MD分子動力學(xué)計算程序包， 除將進一步完善與MatCloud+材料云的接口程序，還將進一步開發(fā)或完善機器學(xué)習(xí)勢函數(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，自動后處理引擎，組件化引擎、圖形化引擎，增強的物性計算等程序。通過MatCloud+高通量多尺度材料集成計算材料云，讓用戶可以更便捷使用勢能函數(shù)自動擬合、參數(shù)智能推薦、自動前處理和后處理、功能組件化、使用圖形化、云端拖拽式流程設(shè)計等功能，更便捷、高效地開展分子動力學(xué)計算，

附：邁高科技簡介

北京邁高材云科技有限公司是中國新材料研發(fā)數(shù)字化領(lǐng)軍企業(yè)，專注于材料科學(xué)領(lǐng)域數(shù)字化的開拓與創(chuàng)新，公司在中科院大力推動下組建，核心產(chǎn)品“MatCloud+材料云”經(jīng)過團隊十余年的打造，形成了集材料數(shù)據(jù)庫、高通量計算篩選、多尺度模擬計算、人工智能技術(shù)、智能實驗的“計算、 數(shù)據(jù)、AI、實驗”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)、院校客戶在研發(fā)效能和數(shù)字化轉(zhuǎn)型上全面提升價值。1.MatCloud+平臺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)動力學(xué)程序包， 如MatCloud-QE, MatCloud-MD, VASP、Gaussian，等實現(xiàn)高通量、高并發(fā)計算。平臺重新定義并統(tǒng)一了所集成模擬軟件的操作方式，通過將模擬軟件功能（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)測流程（工作流），實現(xiàn)了模擬計算全流程自動化。2.MatCloud+可以分享和復(fù)制已有的工作流，實現(xiàn)工作流的快速復(fù)用。也能修改平臺自帶組件的默認(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。同時也具備可視化作業(yè)管理、監(jiān)控、查看、統(tǒng)計等功能，對工作流計算生成的模擬物性數(shù)據(jù)以及實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)管理、檢索、分析、挖掘。3.MatCloud+平臺具有豐富的機器學(xué)習(xí)算法組件，拖拽組件搭建AI預(yù)測流程，實現(xiàn)機器學(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、模型評估）自動化，構(gòu)建材料“結(jié)構(gòu)-成分-工藝-性能”的關(guān)系模型。4.MatCloud+以云計算方式使用戶無需安裝軟件，使用瀏覽器，通過賬號登錄，即可調(diào)用多個優(yōu)質(zhì)超算資源，進行材料的結(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)計領(lǐng)域擁有深厚的技術(shù)積淀和領(lǐng)先的市場份額，在國內(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)，來自港澳臺及海外的注冊用戶已超300家材料科學(xué)領(lǐng)域知名院校和企業(yè)，致力于成為中國最有價值的新材料研發(fā)數(shù)字化服務(wù)提供商。

轉(zhuǎn)自：鳳凰網(wǎng)

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