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

2022年4月15日，北京邁高材云科技有限公司召開產品發布會，正式宣布MatCloud+推出全新基于LAMMPS的分子動學計算程序包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計算，快速形成自己的數據庫。

基于MatCloud+ 材料云開展分子動力學計算， 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、力場參數匹配困難、參數設置易出錯、后處理操作復雜、及計算集群搭建的煩惱，對于分子動力學計算軟件的初學者來說是一大新的體驗！

MatCloud-MD分子動力學計算程序包，相比較于其它分子動力學程序包，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“云原生體系結構和技術是一種設計、構造和操作在云中構建并充分利用云計算模型的工作負載方法”。在標準LAMMPS分子動力學程序上，邁高科技不僅提供了與MatCloud+材料云的接口程序，還進一步開發了機器學習勢函數擬合算法、參數智能推薦算法、輸入結構統一算法，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，可實現勢能函數自動擬合、參數智能推薦、自動前處理和后處理、功能組件化、使用圖形化、云端拖拽式流程設計等功能，使用戶僅通過瀏覽器就可在線開展分子動力學計算和數據自動化采集和管理，極大地方便用戶開展分子動力學計算，

MatCloud+材料云也是國內首個實現LAMMPS分子動力學的材料智能計算平臺（http://matcloudplus.com），在繼承LAMMPS強大優勢上，更實現了基礎LAMMPS所不支持的高通量計算、力場參數自動匹配、任務監控全程圖形化展示、參數自動化設置、數據實時入庫、數據自動化學習等功能，全面提升用戶使用LAMMPS的效率。

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

一．標準LAMMPS使用存在的困難

基于牛頓方程的分子動力學研究方法已經應用于眾多領域，利用分子動力學的文章常占據各大期刊的封面。但由于LAMMPS是一款非圖形化界面程序，并且參數使用較為復雜，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的用戶來說十分困難。

力場匹配：力場參數匹配是經典分子動力學計算的關鍵。力場參數匹配難點包括：不同力場類型的文件格式不同；需要手動為不同匹配環境的原子設置力場數據；力場選擇性多，如何找到與自己匹配的力場等。

參數設置易出錯：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，in文件中的每個參數有特定的書寫格式，掌握上千個參數的使用成為初學者的一大阻礙，并且經常會由于拼寫和格式的問題導致任務報錯，嚴重影響科研進度。

后處理復雜：通過LAMMPS可以獲取材料的諸多性質，但大部分性質需要通過代碼或者第三方軟件來實現，增加了初學者的學習難度。結果大部分也存在儲存難、易丟失的問題，數據之間無聯系，后期也難以復用數據，給計算造成了嚴重困擾。

二．MatCloud-MD讓分子動力學計算更加便捷：瀏覽器開展計算，力場自動匹配， 數據自動入庫等

MatCloud-MD 分子動力學計算程序包讓LAMMPS分子動力學計算更加便捷，如瀏覽器開展計算，力場自動匹配， 數據自動入庫等。MatCloud-MD 分子動力學計算程序包的主要創新，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計算

傳統開展分子動力學方法，LAMMPS需要下載、編程安裝，學習編程對于零基礎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頁瀏覽器，在網頁上登錄即可使用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、機器學習和數據應用，不受時間、地點的限制。

使用標準LAMMPS傳統軟件過程，用戶不僅需要購買計算集群，還需要編譯安裝、準備提交腳本等，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+對接的國內優質超算資源，用戶不需要考慮集群和軟件配置環境的問題，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了批量任務的提交，一次性可以高通量計算多個結構的多個性質，整個工作流程無需人為操作任何文件，計算任務完美銜接，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， 僅需三步即可實現分子動力學計算任務

力場自動分配算法：自動分配力場

作為分子動力學的使用基礎，MatCloud-MD分子動力學程序包通過自研算法實現了力場的自動分配，將傳統力場分配復雜的步驟簡化為3步即可完成，并且支持當前應用最廣的幾種力場：如分子力場(PCFF、CVFF、Dreiding、DreidingX6、Universal、UniversalX6等)、eam、和反應力場，用戶只需選擇力場點擊“Auto Assign”即可實現力場自動分配，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：分子動力學計算圖形化，流程化

MatCloud-MD分子動力學計算程序包， 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”的方式實現分子模擬的各個動態過程，降低了用戶使用LAMMPS的門檻。計算完畢直接得到結果，且數據自動入庫。

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

4 組件化引擎：功能組件化，便于復雜流程的自定義設計

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

5 支持更多的物理性質和化學性質計算MatCloud-MD 分子動力學計算程序包，除了支持標準LAMMPS分子動力學所支持的物理性質和化學性質計算外，通過MatCloud-MD自研的知識庫，還支持基礎LAMMPS所不支持的一些物理性質和化學性質的計算（如斷裂強度等），且所支持的物理性質和化學性質計算，還在不斷增加。

6 后處理引擎：計算數據自動入庫和結果可視化

標準的LAMMPS計算任務正常結束之后，傳統情況下，用戶需要利用后處理軟件或腳本自行處理數據（如OVITO），處理得到的結果大多保存在本地電腦或者云盤中，數據相互之間無關聯，也不能直接進行計算結果的可視化（如能帶，態密度，聲子譜）。一個課題組團隊中，人員的流進流出，往往導致數據的丟失，后期想要復用數據難度極大。

因此，在LAMMPS標準程序的基礎上，MatCloud-MD開發了后處理引擎，使得在標準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鍵數據，還可以將得到的關鍵數據自動實時保存在云端數據庫，在保證了數據安全的基礎上，還可以利用數據庫對數據進行二次篩選和復用。針對后處理結果常丟失，無法充分利用，MatCloud-MD支持數據庫功能，支持對上傳的結構進行分類管理，形成個人結構專用數據庫；計算結果也可以自動存入物性數據庫，避免結構數據丟失；結果物性深度搜索形成物性匯總用于人工智能。數據庫與人工智能功能無縫對接，幫助快速實現材料性能預測與設計。

圖3 MatCloud-MD實現計算數據自動入庫

此外，計算任務正常結束之后，傳統情況下，用戶需要利用后處理軟件或腳本自行處理數據，MatCloud-MD對于計算結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提供了結果自動可視化程序，無需用戶自己操作，計算結果一鍵獲取。

圖4 MatCloud-MD分子動力學計算一旦計算結束，可立即得到計算結果，并可視化呈現

 三．總結與展望

  通過集成MatCloud-MD 面向云原生的分子動力學計算程序包，MatCloud+材料云也是國內首個實現LAMMPS分子動力學的材料智能計算平臺（http://matcloudplus.com ）。在繼承LAMMPS強大優勢上，更實現了LAMMPS所不支持的高通量計算、力場參數自動匹配、任務監控全程圖形化展示、參數自動化設置、數據實時入庫、數據自動化學習等功能，提升用戶LAMMPS的使用效率。

MatCloud-MD分子動力學計算程序包， 除將進一步完善與MatCloud+材料云的接口程序，還將進一步開發或完善機器學習勢函數擬合算法、參數智能推薦算法、輸入結構統一算法，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自動擬合、參數智能推薦、自動前處理和后處理、功能組件化、使用圖形化、云端拖拽式流程設計等功能，更便捷、高效地開展分子動力學計算，

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數字化領軍企業，專注于材料科學領域數字化的開拓與創新，公司在中科院大力推動下組建，核心產品“MatCloud+材料云”經過團隊十余年的打造，形成了集材料數據庫、高通量計算篩選、多尺度模擬計算、人工智能技術、智能實驗的“計算、 數據、AI、實驗”四位一體的材料領域數字化解決方案，為我們的政府、企業、院校客戶在研發效能和數字化轉型上全面提升價值。1.MatCloud+平臺具有圖形化可視化的操作界面，支持調用多種量子力學（第一性原理）、經典分子力學動力學程序包， 如MatCloud-QE, MatCloud-MD, VASP、Gaussian，等實現高通量、高并發計算。平臺重新定義并統一了所集成模擬軟件的操作方式，通過將模擬軟件功能（如結構優化、熱力學性質、力學性質、電學性質）組件化呈現，拖拽組件搭建模擬預測流程（工作流），實現了模擬計算全流程自動化。2.MatCloud+可以分享和復制已有的工作流，實現工作流的快速復用。也能修改平臺自帶組件的默認參數值，并將新參數值保存為默認參數，形成定制化組件。同時也具備可視化作業管理、監控、查看、統計等功能，對工作流計算生成的模擬物性數據以及實驗數據進行數據管理、檢索、分析、挖掘。3.MatCloud+平臺具有豐富的機器學習算法組件，拖拽組件搭建AI預測流程，實現機器學習全流程（數據上傳、數據預處理、特征工程、模型訓練、模型評估）自動化，構建材料“結構-成分-工藝-性能”的關系模型。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，即可調用多個優質超算資源，進行材料的結構模型搭建、模擬材料關鍵性能。邁高科技在材料數字化研發和設計領域擁有深厚的技術積淀和領先的市場份額，在國內已有超5000家材料科學領域企業、院校選擇邁高科技的產品和服務，來自港澳臺及海外的注冊用戶已超300家材料科學領域知名院校和企業，致力于成為中國最有價值的新材料研發數字化服務提供商。

轉自：鳳凰網

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