迈高科技MatCloud+再出新品：云端开展LAMMPS计算，快速入门分子动力学

　　2022年4月15日，北京迈高材云科技有限公司召开产品发布会，正式宣布MatCloud+推出全新基于LAMMPS的分子动学计算程序包MatCloud-MD，并集成融合于MatCloud+材料云。这意味着，用户仅通过浏览器，基于MatCloud+材料云，就可方便、快捷开展分子动力学计算，快速形成自己的数据库。

　　基于MatCloud+ 材料云开展分子动力学计算， 带给大家一种全新的LAMMPS使用模式，能帮助大家摆脱LAMMPS安装步骤繁琐、力场参数匹配困难、参数设置易出错、后处理操作复杂、及计算集群搭建的烦恼，对于分子动力学计算软件的初学者来说是一大新的体验!

　　MatCloud-MD分子动力学计算程序包，相比较于其它分子动力学程序包，最大特点就是其“云原生”理念。云原生(Cloud Native)理念，最早由Matt Stine提出，微软将其定义为“云原生体系结构和技术是一种设计、构造和操作在云中构建并充分利用云计算模型的工作负载方法”。在标准LAMMPS分子动力学程序上，迈高科技不仅提供了与MatCloud+材料云的接口程序，还进一步开发了机器学习势函数拟合算法、参数智能推荐算法、输入结构统一算法，自动后处理引擎，组件化引擎、图形化引擎，增强的物性计算等程序，形成了具有云原生特点的分子动力学计算程序包：MatCloud-MD 。通过MatCloud+高通量多尺度材料集成计算材料云，可实现势能函数自动拟合、参数智能推荐、自动前处理和后处理、功能组件化、使用图形化、云端拖拽式流程设计等功能，使用户仅通过浏览器就可在线开展分子动力学计算和数据自动化采集和管理，极大地方便用户开展分子动力学计算，

　　MatCloud+材料云也是国内首个实现LAMMPS分子动力学的材料智能计算平台(http://matcloudplus.com)，在继承LAMMPS强大优势上，更实现了基础LAMMPS所不支持的高通量计算、力场参数自动匹配、任务监控全程图形化展示、参数自动化设置、数据实时入库、数据自动化学习等功能，全面提升用户使用LAMMPS的效率。

　　本次发布会联合主流线上平台实时在线互动，还有生动的产品实操讲解，吸引了近两千名用户在线参加本次发布会，收到用户的好评。

　　一.标准LAMMPS使用存在的困难

　　基于牛顿方程的分子动力学研究方法已经应用于众多领域，利用分子动力学的文章常占据各大期刊的封面。但由于LAMMPS是一款非图形化界面程序，并且参数使用较为复杂，对于使用者有较高的门槛。其使用难度主要有以下几个方面：

　　安装步骤繁琐：不同于Windows下的软件安装，多次点击即可轻松安装使用，LAMMPS的安装需要熟悉Linux, 甚至涉及一些编程，这对于没有编程基础的用户来说十分困难。

　　力场匹配：力场参数匹配是经典分子动力学计算的关键。力场参数匹配难点包括：不同力场类型的文件格式不同;需要手动为不同匹配环境的原子设置力场数据;力场选择性多，如何找到与自己匹配的力场等。

　　参数设置易出错：LAMMPS的输入文件有特定格式，以in文件为例，它控制主要的模拟参数，in文件中的每个参数有特定的书写格式，掌握上千个参数的使用成为初学者的一大阻碍，并且经常会由于拼写和格式的问题导致任务报错，严重影响科研进度。

　　后处理复杂：通过LAMMPS可以获取材料的诸多性质，但大部分性质需要通过代码或者第三方软件来实现，增加了初学者的学习难度。结果大部分也存在储存难、易丢失的问题，数据之间无联系，后期也难以复用数据，给计算造成了严重困扰。

　　二.MatCloud-MD让分子动力学计算更加便捷：浏览器开展计算，力场自动匹配，数据自动入库等

　　MatCloud-MD 分子动力学计算程序包让LAMMPS分子动力学计算更加便捷，如浏览器开展计算，力场自动匹配， 数据自动入库等。MatCloud-MD 分子动力学计算程序包的主要创新，包括如下的一些核心算法程序：

　　与MatCloud+材料云的API接口程序：云端开展分子动力学计算

　　传统开展分子动力学方法，LAMMPS需要下载、编程安装，学习编程对于零基础的用户存在一定难度，第一步安装软件就浪费了大量时间。MatCloud-MD 提供的与MatCloud+材料云的API接口程序，使得用户通过一个网页浏览器，在网页上登录即可使用LAMMPS，解决了LAMMPS安装的难题，并且作为云平台，可以随时开展计算、机器学习和数据应用，不受时间、地点的限制。

　　使用标准LAMMPS传统软件过程，用户不仅需要购买计算集群，还需要编译安装、准备提交脚本等，这需要用户具备一定的Linux操作能力。通过MatCloud-MD提供的与MatCloud+材料云接口程序，可直接使用MatCloud+对接的国内优质超算资源，用户不需要考虑集群和软件配置环境的问题，搭建好工作流程，选择超算，点击提交按钮就可完成计算的提交。

　　另外，MatCloud-MD通过与MatCloud+的接口程序， 支持拖拽式流程实现了批量任务的提交，一次性可以高通量计算多个结构的多个性质，整个工作流程无需人为操作任何文件，计算任务完美衔接，不仅最大化利用了碎片化时间，也杜绝了由于误操作导致的各种问题。

图 1.通过与MatCloud+材料云的接口， 仅需三步即可实现分子动力学计算任务

　　力场自动分配算法：自动分配力场

　　作为分子动力学的使用基础，MatCloud-MD分子动力学程序包通过自研算法实现了力场的自动分配，将传统力场分配复杂的步骤简化为3步即可完成，并且支持当前应用最广的几种力场：如分子力场(PCFF、CVFF、Dreiding、DreidingX6、Universal、UniversalX6等)、eam、和反应力场，用户只需选择力场点击“Auto Assign”即可实现力场自动分配，为用户提供了更加简便、智能、高效的使用!并且融合更多力场文件的力场库正在不断增加。

　　此外，MatCloud-MD还提供了力场文件的上传程序，支持用户将更加适用于本体系的

　　力场上传。

　　图形化引擎：分子动力学计算图形化，流程化

　　MatCloud-MD分子动力学计算程序包， 重新定义了LAMMPS软件的使用方法，通过图形界面的方式使用户拜托Linux操作界面，提交任务无需输入命令，只需点击“提交”按钮即可。以“工作流”的方式实现分子模拟的各个动态过程，降低了用户使用LAMMPS的门槛。计算完毕直接得到结果，且数据自动入库。

图2 一个基于MatCloud+开展MatCloud-MD 分子动力学计算的工作流

　　4组件化引擎：功能组件化，便于复杂流程的自定义设计

　　标准LAMMPS的输入文件都有特定的格式，初学者需要掌握上千个参数的使用，并且常因拼写格式导致任务报错。MatCloud-MD分子动力学计算程序包，根据功能的不同，从LAMMPS的各个模块中将独立的功能提取出来，进行二次开发，形成了一个个组件，为每个组件预设了关键参数，用户仅通过点选方式或直接输入即可设置参数，不需要考虑格式问题，操作灵活简便。另外，MatCloud-MD为每个参数都提供了详细中文使用帮助，介绍参数的功能，极大地减少了用户调研参数使用所花费的时间。

　　5支持更多的物理性质和化学性质计算MatCloud-MD 分子动力学计算程序包，除了支持标准LAMMPS分子动力学所支持的物理性质和化学性质计算外，通过MatCloud-MD自研的知识库，还支持基础LAMMPS所不支持的一些物理性质和化学性质的计算(如断裂强度等)，且所支持的物理性质和化学性质计算，还在不断增加。

　　6后处理引擎：计算数据自动入库和结果可视化

　　标准的LAMMPS计算任务正常结束之后，传统情况下，用户需要利用后处理软件或脚本自行处理数据(如OVITO)，处理得到的结果大多保存在本地电脑或者云盘中，数据相互之间无关联，也不能直接进行计算结果的可视化(如能带，态密度，声子谱)。一个课题组团队中，人员的流进流出，往往导致数据的丢失，后期想要复用数据难度极大。

　　因此，在LAMMPS标准程序的基础上，MatCloud-MD开发了后处理引擎，使得在标准LAMMPS计算程序完成后，MatCloud-MD不仅可以自动提取输出文件中的关键数据，还可以将得到的关键数据自动实时保存在云端数据库，在保证了数据安全的基础上，还可以利用数据库对数据进行二次筛选和复用。针对后处理结果常丢失，无法充分利用，MatCloud-MD支持数据库功能，支持对上传的结构进行分类管理，形成个人结构专用数据库;计算结果也可以自动存入物性数据库，避免结构数据丢失;结果物性深度搜索形成物性汇总用于人工智能。数据库与人工智能功能无缝对接，帮助快速实现材料性能预测与设计。

图3 MatCloud-MD实现计算数据自动入库

　　此外，计算任务正常结束之后，传统情况下，用户需要利用后处理软件或脚本自行处理数据，MatCloud-MD对于计算结果的获取更加简便和智能。在利用某个组件计算完成之后，MatCloud-MD提供了结果自动可视化程序，无需用户自己操作，计算结果一键获取。

图4 MatCloud-MD分子动力学计算一旦计算结束，可立即得到计算结果，并可视化呈现

　　三.总结与展望

　　通过集成MatCloud-MD 面向云原生的分子动力学计算程序包，MatCloud+材料云也是国内首个实现LAMMPS分子动力学的材料智能计算平台(http://matcloudplus.com )。在继承LAMMPS强大优势上，更实现了LAMMPS所不支持的高通量计算、力场参数自动匹配、任务监控全程图形化展示、参数自动化设置、数据实时入库、数据自动化学习等功能，提升用户LAMMPS的使用效率。

　　MatCloud-MD分子动力学计算程序包， 除将进一步完善与MatCloud+材料云的接口程序，还将进一步开发或完善机器学习势函数拟合算法、参数智能推荐算法、输入结构统一算法，自动后处理引擎，组件化引擎、图形化引擎，增强的物性计算等程序。通过MatCloud+高通量多尺度材料集成计算材料云，让用户可以更便捷使用势能函数自动拟合、参数智能推荐、自动前处理和后处理、功能组件化、使用图形化、云端拖拽式流程设计等功能，更便捷、高效地开展分子动力学计算，

　　附：迈高科技简介

　　北京迈高材云科技有限公司是中国新材料研发数字化领军企业，专注于材料科学领域数字化的开拓与创新，公司在中科院大力推动下组建，核心产品“MatCloud+材料云”经过团队十余年的打造，形成了集材料数据库、高通量计算筛选、多尺度模拟计算、人工智能技术、智能实验的“计算、 数据、AI、实验”四位一体的材料领域数字化解决方案，为我们的政府、企业、院校客户在研发效能和数字化转型上全面提升价值。1.MatCloud+平台具有图形化可视化的操作界面，支持调用多种量子力学(第一性原理)、经典分子力学动力学程序包， 如MatCloud-QE, MatCloud-MD, VASP、Gaussian，等实现高通量、高并发计算。平台重新定义并统一了所集成模拟软件的操作方式，通过将模拟软件功能(如结构优化、热力学性质、力学性质、电学性质)组件化呈现，拖拽组件搭建模拟预测流程(工作流)，实现了模拟计算全流程自动化。2.MatCloud+可以分享和复制已有的工作流，实现工作流的快速复用。也能修改平台自带组件的默认参数值，并将新参数值保存为默认参数，形成定制化组件。同时也具备可视化作业管理、监控、查看、统计等功能，对工作流计算生成的模拟物性数据以及实验数据进行数据管理、检索、分析、挖掘。3.MatCloud+平台具有丰富的机器学习算法组件，拖拽组件搭建AI预测流程，实现机器学习全流程(数据上传、数据预处理、特征工程、模型训练、模型评估)自动化，构建材料“结构-成分-工艺-性能”的关系模型。4.MatCloud+以云计算方式使用户无需安装软件，使用浏览器，通过账号登录，即可调用多个优质超算资源，进行材料的结构模型搭建、模拟材料关键性能。迈高科技在材料数字化研发和设计领域拥有深厚的技术积淀和领先的市场份额，在国内已有超5000家材料科学领域企业、院校选择迈高科技的产品和服务，来自港澳台及海外的注册用户已超300家材料科学领域知名院校和企业，致力于成为中国最有价值的新材料研发数字化服务提供商。