ランプス

大規模原子・分子超並列シミュレータ
原作者スティーブ・プリンプトン、エイダン・トンプソン、スタン・ムーア、アクセル・コールメイヤー、リチャード・バーガー
開発者サンディア国立研究所テンプル大学
初回リリース1995 （1995年）
安定版リリース
2025年7月22日[ 1 ]ウィキデータで編集する / 2025年7月22日 （2025年7月22日）
リポジトリgithub .com /lammps /lammps
書かれたC++
オペレーティング·システムクロスプラットフォーム: Linux、macOS、Windows、FreeBSD、Solaris
プラットフォームx86、x86-64、ARM、POWER9
サイズ534MB​
入手可能な英語
タイプ分子動力学
ライセンスGNU一般公衆利用許諾契約書
Webサイトwww.lammps.org​​Wikidataで編集する

LAMMPS（大規模原子分子超並列シミュレータ）は、サンディア国立研究所が開発した分子動力学プログラムです。[ 2 ]並列通信にメッセージパッシングインターフェース（MPI）を利用し、高性能シミュレーションを可能にします。LAMMPSは、GNU一般公衆利用許諾契約書の条件に基づいて配布される無料のオープンソースソフトウェアです。[ 2 ] Linux、Windows、macOSプラットフォームで利用できます。

歴史

LAMMPSは1990年代半ばに、米国エネルギー省の2つの研究所（サンディア国立研究所とローレンス・リバモア国立研究所）と3つの企業（クレイ、デュポン、ブリストル・マイヤーズ スクイブ）の間の共同研究開発契約に基づいて開発されました。[ 3 ]その目標は、材料および生体分子モデリング用の大規模スーパーコンピュータで実行できる並列分子動力学コードを作成することでした。[ 4 ] LAMMPSは当初Fortranで書かれていましたが、その後、柔軟性を高め、新機能の追加を容易にするためにC++で書き直されました。

特徴

LAMMPSは、MPIとOpenMPによるシングルプロセッサと並列実行の両方をサポートする、非常に柔軟でスケーラブルな分子動力学シミュレータです。GPUアクセラレーションも利用可能です。LAMMPSは、入力スクリプトだけでなく、グラフィカルインターフェースGUIからも実行できます。[ 5 ]モジュール式のオープンソースC++設計は、拡張やPythonなどの他のコードや言語との統合が容易です。ユーザーは変数を定義し、ループを使用し、単一のスクリプトから複数のシミュレーションを同時に実行できます。[ 6 ]

粒子とモデルの種類

LAMMPSは、単純な原子から分子、金属、粒状物質などの複雑な系に至るまで、幅広い粒子およびモデルタイプをサポートしています。また、球状粒子や楕円体粒子、点双極子粒子、磁気スピンといった有限サイズの形状も扱うことができ[ 7 ]、これらの粒子とモデルタイプをハイブリッドに組み合わせて使用​​することも可能です[ 6 ] 。

原子間ポテンシャル

LAMMPSは、ペアワイズポテンシャル（例：レナード・ジョーンズポテンシャル、クーロンポテンシャル）、多体ポテンシャル（例：EAM、REBO、ReaxFF [ 8 ]）、機械学習ポテンシャル（例：ACE、GAP）、特殊モデル（例：TIP4P水）など、幅広いポテンシャルをサポートしています。また、ハイブリッドポテンシャルやオーバーレイポテンシャルにも対応しており、単一のシミュレーションで複数のポテンシャルタイプを組み合わせることができます。

アンサンブル、制約、境界条件

LAMMPSは、直交または非直交（三斜晶系）のシミュレーション領域を持つ2次元および3次元システムをサポートします。Nose/Hoover、Berendsen、Parrinello/Rahmanなど、複数のサーモスタットおよびバロスタットの選択肢を備えています。様々な剛体拘束条件や、SHAKEやRATTLEなどの高度なアルゴリズムを、追加の調和力と組み合わせることができます。さらに、LAMMPSは、モンテカルロ法による移動、原子および分子の挿入と削除、非平衡分子動力学（NEMD）、そして様々な境界条件（周期境界、シュリンクラップ境界など）と壁面（静的および移動境界）をサポートしています。[ 3 ]

インテグレーター

LAMMPSでは、速度-ベルレ積分、ブラウン運動学、剛体積分など、様々な積分法が利用可能です。また、共役勾配法、最急降下法、減衰動力学（FIRE、Quickmin）といったエネルギー最小化手法、rRESPA階層型タイムステップ、固定または適応型タイムステップもサポートしています。さらに、rerunコマンドによりダンプファイルの後処理も可能です。[ 6 ]

出力

LAMMPSは、システム特性を監視するための多数のコマンドを提供していますfix。computeシステム温度やエネルギーなどの熱力学データはログに記録され、位置や速度などの原子レベルの情報は、指定した間隔でテキストファイルまたはバイナリダンプファイルに出力できます。LAMMPSでは、チャンク、時間平均、ヒストグラムを用いて、空間解像度または時間解像度に合わせて出力をカスタマイズすることもできます。シミュレーションの状態は、テキストファイルまたはバイナリリスタートファイルに保存できます。さらに、LAMMPSは様々な形式で原子スナップショットをエクスポートできます。[ 6 ] [ 5 ]

様々な

計算効率を高めるため、LAMMPSは近傍粒子リスト（ベルレリスト）を用いて近傍粒子を追跡します。このリストは、短距離で反発する粒子を含む系に最適化されており、粒子の局所密度が過度に大きくなることはありません。[ 4 ]

並列コンピュータ上で、LAMMPSは空間分解技術を用いてシミュレーション領域を小さな3Dサブドメインに分割し、各プロセッサに1つずつ割り当てます。プロセッサは、サブドメインに隣接する原子のゴースト原子情報を通信・保存します。LAMMPSは、粒子がほぼ均一な密度で3D長方形のボックスを満たすシステムにおいて、（並列計算の観点から）最も効率的です。LAMMPSは、GPU（CUDA 、OpenCL、HIP、SYCL）、Intel Xeon Phi、そしてTrilinosとの統合によりOpenMPなど、多くのアクセラレータをサポートしています。

LAMMPSと他のソフトウェアの連携

LAMMPSは、 VMD [ 10 ]やOVITO [ 11 ]など、様々な外部解析ツールや可視化エンジンと連携できます。[ 9 ] LAMMPSは、MDAnalysis [ 12 ] MDTraj [ 13 ]やASE [ 14 ]などのシミュレーションの設定と解析のためのPythonライブラリと連携できます。さらに、LAMMPSはPLUMED [ 15 ]やColvarsモジュールなどの自由エネルギー計算ツールとの連携もサポートしています。 [ 16 ]

参照

参考文献

  1. ^ 「安定版リリース 2025年7月22日」。2025年7月22日。 2026年1月6日閲覧。
  2. ^ a b「LAMMPS分子動力学シミュレータ」 . サンディア国立研究所. 2022年7月13日閲覧。
  3. ^ a b Thompson, Aidan P.; Aktulga, H. Metin; Berger, Richard; Bolintineanu, Dan S.; Brown, W. Michael; Crozier, Paul S.; In 't Veld, Pieter J.; Kohlmeyer, Axel; Moore, Stan G.; Nguyen, Trung Dac; Shan, Ray; Stevens, Mark J.; Tranchida, Julien; Trott, Christian; Plimpton, Steven J. (2022). 「LAMMPS - 原子、メソ、連続体スケールでの粒子ベース材料モデリングのための柔軟なシミュレーションツール」 . Computer Physics Communications . 271 108171. Bibcode : 2022CoPhC.27108171T . doi : 10.1016/j.cpc.2021.108171 . hdl : 20.500.12613/10406 .
  4. ^ a b Plimpton, S. (1993-05-01). 「短距離分子動力学のための高速並列アルゴリズム」 . Journal of Computational Physics . 117 (1): 1– 19. doi : 10.2172/10176421 .
  5. ^ a b Gravelle, Simon; Gissinger, Jacob R.; Kohlmeyer, Axel (2025). 「LAMMPSシミュレーションパッケージのチュートリアル集」. arXiv : 2503.14020 [ physics.comp-ph ].
  6. ^ a b c d「一般的な機能 — LAMMPS ドキュメント」 . LAMMPS . 2025年4月11日閲覧。
  7. ^ Tranchida, Julien Guy, Wood, Mitchell A., Moore, Stan Gerald (2018). 大規模並列計算フレームワークにおける磁気スピンダイナミクスと分子ダイナミクスの結合（LDRD最終報告書）（報告書）. アルバカーキ、ニューメキシコ州、アメリカ合衆国：サンディア国立研究所（SNL-NM）.{{cite report}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
  8. ^ Aktulga, HM; Fogarty, JC; Pandit, SA; Grama, AY (2012). 「並列反応分子動力学：数値解析法とアルゴリズム的手法」.並列コンピューティング. 38 ( 4–5 ). Elsevier: 245–259 . doi : 10.1016/j.parco.2011.08.005 .
  9. ^ 「外部カップリングと積分」 LAMMPS公式ウェブサイト。 2025年4月12日閲覧。
  10. ^ Humphrey, William; Dalke, Andrew; Schulten, Klaus (1996). 「VMD: Visual Molecular Dynamics」. Journal of Molecular Graphics . 14 (1). Elsevier: 33– 38. doi : 10.1016/0263-7855(96)00018-5 . PMID 8744570 . 
  11. ^ Stukowski, Alexander (2009-12-15). 「OVITO（オープン可視化ツール）による原子論的シミュレーションデータの可視化と解析」.材料科学と工学におけるモデリングとシミュレーション. 18 (1) 015012. doi : 10.1088/0965-0393/18/1/015012 . S2CID 42073422 . 
  12. ^ Naughton, Fiona B; Alibay, Irfan; Barnoud, Jonathan; Barreto-Ojeda, Estefania; Beckstein, Oliver; Bouysset, Cédric; Cohen, Orion; Gowers, Richard J; MacDermott-Opeskin, Hugo; Matta, Micaela (2022). 「MDAnalysis 2.0以降：高速かつ相互運用可能なコミュニティ主導型シミュレーション解析」Biophysical Journal . 121 (3). Elsevier: 272a– 273a. Bibcode : 2022BpJ...121..272N . doi : 10.1016/j.bpj.2021.11.1368 .
  13. ^ McGibbon, Robert T; Beauchamp, Kyle A; Schwantes, Christian R; Wang, Lee-Ping; Hernández, Carlos X; Harrigan, Matthew P; Lane, Thomas J; Swails, Jason M; Pande, Vijay S (2014-09-09). 「MDTraj：分子動力学の軌跡解析のための最新のオープンライブラリ」 . Biophysical Journal . 109 (8): 1528– 1532. doi : 10.1016/j.bpj.2015.08.015 . PMC 4623899. PMID 26488642 .  
  14. ^ヨース・ラーセン、尋ねる;モーテンセン、イェンス・ヨルゲン。ブロンクヴィスト、ヤコブ。カステッリ、イヴァーノ E.クリステンセン、ルーン。ディネセン、マティアス。グローブス、マイケル N.ハーストルプ、ステン。ジェンセン、B​​.による。ヨルゲン・モーテンセン、イェンス (2017)。 「原子シミュレーション環境 - 原子を扱うための Python ライブラリ」。物理学ジャーナル: 凝縮物質。29 (27): 273002。ビブコード: 2017JPCM...29A3002H。ドイ: 10.1088/1361-648X/aa680e。hdl : 11250/2720492。PMID 28323250。 
  15. ^ Tribello, Gareth A.; Bonomi, Massimiliano; Branduardi, Davide; Camilloni, Carlo; Bussi, Giovanni (2014-02-01). 「PLUMED 2: 老鳥のための新しい羽」 . Computer Physics Communications . 185 (2): 604– 613. arXiv : 1310.0980 . Bibcode : 2014CoPhC.185..604T . doi : 10.1016/j.cpc.2013.09.018 . ISSN 0010-4655 . S2CID 17904052 .  
  16. ^ Fiorin, Giacomo; Klein, Michael L.; Hénin, Jérôme (2013年12月). 「集団変数を用いた分子動力学シミュレーションの推進」. Molecular Physics . 111 ( 22–23 ): 3345–3362 . Bibcode : 2013MolPh.111.3345F . doi : 10.1080/00268976.2013.813594 . ISSN 0026-8976 . 
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