Кратко описание на програмния пакет dl poly

DL POLY е пакет от подпрограми, програми и файлове с данни, предназначени да улеснят молекулярното моделиране динамиката на макромолекули, полимери, йонни системи и да решат съответните модели на паралелни компютри с разпределена памет .

На ваше разположение са два пакета програми : DL POLY 2 (написан е от Bill Smith и Тим Forester) и DL POLY 3 (написан е от Bill Smith и Илиян Тодоров) [2]. Първоначално двата пакета са били обединени като обща задача в Simulation of condensed matter by molecular dynamics , която се изпълнявана в рамките на Collaborative Computational Project 5 (CCP5), в който от 1980г са обединени няколко университета и изследователски лаборатории в Обединеното кралство. ([3].

Бъдещото развитие на DL POLY 3 е било подкрепено от Natural Environment Research Council ( NERC) в рамките на проекта e-science for faster rescues at sea ( е-науката за бързо спасяване на океаните) в частта му изчислителната химия в подкрепа на защитата на околната среда.

Двете пакета се различават основно по начина им на използване и синхронизиране. DL POLY 2 използва стратегията на повторените (репликираните) данни (РСР) [4, 5, 6, 7], който работи добре за компютърни системи с около 100 процесора и моделиране на динамиката на молекули с размер до 30 хиляди атоми. DL POLY 3 се базира на стратегията за разпределение по области ( Domain Decomposition strategy - DD) [2, 8, 9, 4, 5], и е подходящ за изпълнение на големи компютърни системи с произволен брой процесори равен на 2N , където N е някакво голямо цяло число , и молекулите, които съдържат от 10³ до 10⁹ атома.

Двата пакета са съвместими, така че да е се премине от DL POLY 2 симулация към , до DL POLY3 симулация с много малко усилия. Трябва да се отбележи, че DL POLY 3 не е предназначен да замести DL POLY 2, а да разшири областта на моделиране и да обхване големи молекули.

Двата пакета са с отворен код и консорциума CCP5 дава възможност на потребителите да включват нови функции или да разширят моделите за компютърна симулация на динамиката на молекулите .

Source code на двата пакета може да се използва само от лицензирани потребители и не може да се предава на трети лица.

Първите шест суми са вътрешно молекулните взаимодействия а следващите четири са между молекулните взаимодействия. Последната сума Uextn представлява потенциала на външното поле. Векторите ra, rb, rc и rd определят позициите на атомите, които са включени в дадена итерация . Числата Nshel, Nteth, Nbond, Nangl, Ndihd and Ninv представляват обшия брой на взаимодействията в съответните събираеми , които формират енергията , а индексите ishel, iteth, ibond, iangl, idihd и iinv специфицират всяко взаимодействие от определен тип. Важно е да с е отбележи че това не глобална спецификация вътрешно молекулярните взаимодействия. Същото важи за фиксираните връзки и PMF връзки.

Индексите i, j ( и k, n) показват вътрешно молекулните взаимодействия (non-bonded) като маркират атомите, които участват в това взаимодействие. Обикновено, това са много големи числа и те специфицират общото число на взаимодействията на различните типове атоми. Тук се отчитат и van der Waals взаимодействия ( има се предвид близките взаимодействия) и електро статичните взаимодействия ( те се разглеждат като далечни взаимодействия)

Металите са включени във взаимодействията с много тела .

В DL POLY 3 взаимодействията на три тела се ограничава до валентните ъгли и атомните взаимодействия с водорода.

Функционални характеристики
По-долу е даден списък на функционалните възможности, атомните взаимодействия, химическите връзки и модели, които DL POLY 3 поддържа.


Молекулни системи

• Прости атомни системи и смеси (Simple atomic systems and mixtures ) като Ne, Ar, Kr и други;

• Прости неполяризирани отделни йони ( Simple unpolarisable point ions) като NaCl, KCl, etc.)

• Поляризирани отделни йони и молекули(Polarisable point ions and molecules) като MgO, H2O и други ;

• Полимери с твърди връзки (Polymers with rigid bonds), като CnH2n

• Полимери с твърди връзки и точки с електро статичен заряд( Polymers with rigid bonds and point charges) като протеини, макромолекули и други ;

•Силикатно стъкло и зеолити 2 (Silicate glasses and zeolites2);

• Прости метали и сплави ( например Al, Ni, Cu, Cu3Au и други);

• Хидрокарбонати и преходни метали (transition elements), като C, Si, Ge, SiC, SiGe и други.
Трябва да се отбележи, че DL POLY 3 не може да моделира молекули, които съдържат твърди връзки (rigid bodies.) Това е една от основните разлики с DL POLY 2.
Силови полета
Силовите полета, които могат да се изчислят с DL POLY 3, са на базата на следните потенциални енергии :

1. Всички форми на „non-bonded atom-atom (van der Waals)” потенциални енергии;

2. Атом –Атом (и site-site) потенциална енергия на Колумб;

3. Метал – Метал потенциални енергии;

(local density dependent potentials) [10, 11, 12, 13, 14, 15]

4. Потенциални енергии на хидрокарбонати (local density dependent potentials ) [16];

5. Потенциални енергии на валентни ъгли между три атома ( Three-body valence angle) и на взаимодействието на водородните атоми( hydrogen bond potentials);

6. Потенциални енергии , породени от пространственото взаимодействие на четири атома (Four-body inversion potentials )[ 7];

7.Поляризация между невалентните електрони и съвкупността от невалентни електрони и атомите в йоните(Ion core-shell polarasation);

8. Потенциал на Tether (Tether potentials );

10.Потенциална енергия на валентните ъгли( Valence angle potentials)

11. Потенциална енергия на пространствен ъгъл ( Dihedral angle (and improper dihedral angle);

12. Потенциална енергия ,която отчита инверсията на хиралия център ( Inversion angle potentials);

13. Потенциална енергия от външни полета( External field potentials).
Параметрите, които използват в уравнения за изчисляване на различните съставляващи на потенциалната енергия на молекулата могат да се получат като се използват силовите полета, които се изчисляват с пакетите програми GROMOS [17], Dreiding [18] или AMBER [19] . Действително, DL POLY 3 лесно се адаптира, за да може да се използват тези специфични силови полета.


Гранични условия

В DL POLY 3 могат да се използват следните гранични условия:

Изборът на граничните условия се прави след внимателната преценка , кои условия за кой тип симулация осигуряват ефективно балансиране на натоварването на паралелния компютър.

Графичния потребителски интерфейс (GUI) на DL POLY 3 и DL POLY 2 е написани на езика за програмиране Java , Основно му предимство е , че е преносимост между различните платформи. GUI може да се инсталира без прекомпилиране на различните машини, които поддържат Java.

Паралелни алгоритми

В паралелните алгоритми , които са включени в DL POLY 3 активно се използват Domain Decomposition паралелни стратегии [8, 9, 4, 5]


Алгоритми за интегриране
В DL POLY 3 се използват два алгоритъма за интегриране по Verlet( B.B) и Leapfrog Verlet (LFV) [21]. Те създават NVE, NVEkin, NVT, NPT и N ¾ T ансамбли с избор на термостати и баростати. Паралелни версии на RATTLE [22] и SHAKE [7] алгоритми се използват при специфичните ограничения в В. В. и LFV.

За моделиране на динамиката на молекулите могат да се използват следните алгоритми :

1. Constant E algorithm

2. Evans constant Ekin algorithm [23]

3. Langevin constant T algorithm [24]

4. Andersen constant T algorithm [25]

5. Berendsen constant T algorithm [26]

6. Nos´e-Hoover constant T algorithm [27]

7. Langevin constant T,P algorithm [28]

8. Berendsen constant T,P algorithm [26]

9. Nos´e-Hoover constant T,P algorithm [27]

10. Martyna, Tuckerman and Klein (MTK) constant T,P algorithm [29]

11. Langevin constant T,¾ algorithm [28]

12. Berendsen constant T,¾ algorithm [26]

13. Nos´e-Hoover constant T,¾ algorithm [27]

14. Martyna, Tuckerman and Klein (MTK) constant T,¾ algorithm [29].

Някои ограничения на DL POLY 2 и в DL POLY 3

- Твърдите връзки не се отчитат в моделите;

- Ромбоиден додекаедър (imcon = 5);

-Шестостенни призматични периодични граници (imcon = 7).
Електростатика
- Не се използва Standard Ewald Summation, но е включена Smoothed ParticleMesh Ewald (SPME) summation ;
- Използва се Hautman-Klein Ewald Summation за 3D не периодични системи, но тя не е включена в моделите на 2D периодични системи .
Паралелна работа

DL POLY 3 е разпределена система за паралелно моделиране на динамиката на базата на domain parallelisation strategy [2, 8, 9, 4, 5]. В този раздел ще разгледаме накратко тази методика.

Използването на методите за Domain Decompositions един ефективен и удобен подход за паралелно решаване на задачи с много голям обем от данни, при условие , че сте използвали коректен метод за преход от област в област.

Същността на Domain Decompositions (DD) с[2, 4] е да се раздели молекулата на части и всяка отделена съвкупност от атоми да се помести в своя геометрична област ( блоков). Динамиката на групата атоми , която е включена в един блок се обработва от един процесор или от група ядра, които съдържа един процесора.

В частност в DL POLY 3, масивите от данни , които съдържат атомните координати Pi , скоростите Vi и сили Fi на i-тия атом , където и=1,2,3,… N , са разделени на под-масиви с приблизителни размери N / P, където Р е броят на използваните процесори . N е броя на атомите на молекулата .

В DL POLY 3 процедурата Domain Decompositions се извършва от рутинните модули , които разбиват пространството, което заема молекулата, на области , като за всяка област се записва кои атоми и кои масиви от данните влизат в нея. Разделението на конфигурацията на данни по този начин се определят кои данни принадлежат на съответния процесор. Пространствено – геометричното разпределение на масивите от данни, е отличителен белег на алгоритми DD. Имайте предвид, че за да може тази стратегия да работи ефективно, симулираната система от атоми трябва да имат сравнително еднакви плътност, така че на всеки процесор да се разпределят почти равен брой атоми и почти равни по обем масиви , то процесорите изчисляват силите и интегриралите в уравненията на движение до голяма степен независимо и времето за изчисление е съществено повече от времето за комуникации. Методът е концептуално прост , но е труден за програмиране. Той е особено подходящ за много големи атомни системи.

Стратегията DD , използвана в DL POLY 3 се основава на алгоритъм за връзка между клетките, създаден от Hockney, R. W., и Eastwood, J. W [61], който се прилага от различни автори (напр. Pinches, M. R. S. и др. [8] и Rapaport [9]). Алгоритмът изисква да се приложи принципа cutoff т.с в областта да се включат само онези атоми, взаимодействията на които имат съществен принос в потенциалната енергия. Като правило, това са малък брой атоми и те се включват в съответния домейн, останалите атоми се „отрязват” .

Не бива да се забравят взаимовръзките между съседни атоми, които се намират в съседни домейни. В DL POLY 3 връзките между областите (клетките ) (на английски link cell) се строят като рутинни link cell двойки . Създава се списък на позициите на съседните атоми, включени в различни, но съседни домейни. Както при всички алгоритми DD, е необходимо процесорите да си обменят ‘halo data ", което в контекста на link-cell означава изпращане на съдържанието на link cell от границите на всяка област, към съседните процесори , така че всеки може да има цялата необходима информация за изчисляване на двойката сили, действащи на атомите, принадлежащи към различни домейни.

В DL POLY 3 това се върши от подпрограмите halo particles .

При моделирането на сложни молекули възникват някои трудности. В уравненията са отчитат различни йонни специфики и е необходимо да се използват Ewald summation methods [21, 62], а в рамките на вътрешно - молекулните взаимодействия трябва да се отчетат между молекулярните сили. Вътрешно молекулните взаимодействия се разглеждат и описват по същия начин, както в DL POLY 2, когато на всеки процесор се разпределя подмножество от вътрешно молекулни връзки (intramolecular bonds). Разпределението се основава на атомите, които са включени в домейна на процесора. Ако се използват алгоритмите SHAKE и

RATTLE [55, 22] , те трябва да се модифицират. Всеки процесор изчислява constraint bonds между атомите, включени в домейна и също така да изчислява връзките (bonds) между съседни атоми от съседните домейни. Тези изчисления трябва сравнително равномерно да се разпределят между съседните процесори, за да не се изчакват един друг. Това изисква всеки процесор да информира своите съседи за позициите на всеки атом по време на всеки SHAKE (RATTLE VV1) цикъл и да актуализира скоростта при всеки (RATTLE VV2), така че всеки процесор да включи актуализираните данни в своите изчисления.Приложението на алгоритъма SHAKE е по-бърз от метода на репликираните данни, който е основата на DD при DL POLY 2, защото при последния се изисква глобалната актуализации на позициите на атомите след всяка стъпка на изчисляването на динамиката на молекулата [63]. При алгоритъма SHAKE комуникациите са по-малко, защото не е необходимо на всяка стъпка да се изпращат новите позициите на атомите на голям брой процесори.

3. Тези масиви се използват за обновяване на атомните скорости и позициите на всички атоми в областта.

Библиография

[1] Smith, W., and Forester, T., 1996, J. Molec. Graphics, 14, 136. 2

[2] Todorov, I., and Smith, W., 2004, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A, 362, 1835. 2, 150

[3] Smith, W., 1987, Molecular Graphics, 5, 71. 2

[4] Smith, W., 1991, Comput. Phys. Commun., 62, 229. 2, 4, 150

[5] Smith, W., 1993, Theoretica. Chim. Acta., 84, 385. 2, 4, 150

[6] Smith, W., and Forester, T. R., 1994, Comput. Phys. Commun., 79, 52. 2

[7] Smith, W., and Forester, T. R., 1994, Comput. Phys. Commun., 79, 63. 2, 4, 57

[8] Pinches, M. R. S., Tildesley, D., and Smith, W., 1991, Molecular Simulation, 6, 51. 2, 4, 150

[9] Rapaport, D. C., 1991, Comput. Phys. Commun., 62, 217. 2, 4, 150

[10] Daw, M. S., and Baskes, M. I., 1984, Phys. Rev. B, 29, 6443. 3, 29

[11] Foiles, S. M., Baskes, M. I., and Daw, M. S., 1986, Chem. Phys. Lett., 33, 7983. 3, 29

[12] Finnis, M. W., and Sinclair, J. E., 1984, Philos. Mag. A, 50, 45. 3, 29, 30

[13] Sutton, A. P., and Chen, J., 1990, Philos. Mag. Lett., 61, 139. 3, 30

[14] Rafii-Tabar, H., and Sutton, A. P., 1991, Philos. Mag. Lett., 63, 217. 3, 30, 36, 37

[15] Todd, B. D., and Lynden-Bell, R. M., 1993, Surf. Science, 281, 191. 3, 30

[16] Tersoff, J., 1989, Phys. Rev. B, 39, 5566. 3, 37, 151

[17] van Gunsteren, W. F., and Berendsen, H. J. C. 1987, Groningen Molecular Simulation (GROMOS)

Library Manual. BIOMOS, Nijenborgh, 9747 Ag Groningen, The Netherlands. Standard

GROMOS reference. 3, 13

[18] Mayo, S., Olafson, B., and Goddard, W., 1990, J. Phys. Chem., 94, 8897. 3, 13, 40, 132

[19] Weiner, S. J., Kollman, P. A., Nguyen, D. T., and Case, D. A., 1986, J. Comp. Chem., 7, 230.

3, 13

[20] Smith, W., 2003, Daresbury Laboratory. 4, 9, 85, 92, 94, 117, 169

Press. 4, 46, 53, 55, 58, 150, 152

[22] Andersen, H. C., 1983, J. Comput. Phys., 52, 24. 4, 55, 150

[23] Evans, D. J., and Morriss, G. P., 1984, Computer Physics Reports, 1, 297. 4, 54, 58

[24] Adelman, S. A., and Doll, J., 1976, J. Chem. Phys., 64, 2375. 4, 54, 58

[25] Andersen, H. C., 1979, J. Chem. Phys., 72, 2384. 4, 54, 58

[26] Berendsen, H. J. C., Postma, J. P. M., van Gunsteren, W., DiNola, A., and Haak, J. R., 1984,

J. Chem. Phys., 81, 3684. 4, 54, 55, 58, 67

[27] Hoover, W. G., 1985, Phys. Rev., A31, 1695. 4, 54, 55, 58, 65, 67

[28] Quigley, D., and Probert, M., 2004, J. Chem Phys., 120, 11432. 4, 54, 55, 67

[29] Martyna, G., Tuckerman, M., Tobias, D., and Klein, M., 1996, Molec. Phys., 87, 1117. 4, 54,

55, 67, 81

[30] Warner, H. R. J., 1972, ind. Eng. Chem. Fundam., 11, 379. 15

[31] Bird, R. B. e. a. 1977, Dynamics of Polymeric Liquids, volume 1 and 2. Wiley, New York. 15

[32] Grest, G. S., and Kremer, K., 1986, Phys. Rev. A, 33, 3628. 15

[33] Vessal, B., 1994, J. Non-Cryst. Solids, 177, 103. 17, 19, 40, 125, 132

[34] Smith, W., Greaves, G. N., and Gillan, M. J., 1995, J. Chem. Phys., 103, 3091. 17, 19, 40,

125, 132

[35] Allinger, N. L., Yuh, Y. H., and Lii, J.-H., 1998, J. Am. Chem. Soc., 111, 8551. 17, 19, 125

[36] Sun, H., 1998, J. Phys. Chem. B, 102(38), 7338–7364. 17, 18, 19, 125

[37] Smith, W., 1993, CCP5 Information Quarterly, 39, 14. 19, 22, 25

[38] Ryckaert, J. P., and Bellemans, A., 1975, Chem. Phys. Lett., 30, 123. 20, 126

[39] Schmidt, M. E., Shin, S., and Rice, S. A. Molecular dynamics studies of langmuir monolayers

of f(cf2)11cooh. volume 104, page 2101, 1996. 20, 126

[40] Clarke, J. H. R., Smith, W., and Woodcock, L. V., 1986, J. Chem. Phys., 84, 2290. 27, 128

[41] Weeks, J. D., Chandler, D., and Anderson, H. C., 1971, J. Chem. Phys., 54, 5237. 28

[42] J., F., 1952, Philos. Mag., 43, 153. 30

[43] Dai, X. D., Kong, Y., Li, J. H., and Liu, B. X., 2006, J. Phys.: Condens. Matter, 18, 45274542.

30

[44] Cleri, F., and Rosato, F., 1993, Phys. Rev. B, 48, 22. 31

[46] Eastwood, J. W., Hockney, R. W., and Lawrence, D. N., 1980, Comput. Phys. Commun., 19,

215. 40, 41

[47] Fennell, C. J., and Gezelter, D. J., 2006, J. Chem. Phys., 124, 234104. 43, 44, 45, 46, 107, 108

[48] Neumann, M., 1985, J. Chem. Phys., 82, 5663. 45

[49] Fuchs, K., 1935, Proc. R. Soc., A, 151, 585. 47, 49

[50] Essmann, U., Perera, L., Berkowitz, M. L., Darden, T., Lee, H., and Pedersen, L. G., 1995, J.

Chem. Phys., 103, 8577. 47, 153

[51] Fincham, D., and Mitchell, P. J., 1993, J. Phys. Condens. Matter, 5, 1031. 50

[52] Lindan, P. J. D., and Gillan, M. J., 1993, J. Phys. Condens. Matter, 5, 1019. 50

[53] Shewchuk, J. R. August 4, 1994, An Introduction to the Conjugate Gradient Method Without

Pittsburgh, PA 15213. 50

[54] Ikeguchi, M., 2004, J. Comp. Chemi., 25, 529–541. 55, 72, 75, 80, 82

[55] Ryckaert, J. P., Ciccotti, G., and Berendsen, H. J. C., 1977, J. Comput. Phys., 23, 327. 55,

150

[56] McCammon, J. A., and Harvey, S. C. 1987, Dynamics of Proteins and Nucleic Acids. Cambridge:

[57] Izaguirre, J. A. Langevin stabilisation of multiscale mollified dynamics. In Brandt A.,

Binder K., B. J., editor, Multiscale Computational Methods in Chemistry and Physics, volume

117 of NATO Science Series: Series III - Computer and System Sciences, pages 34–47.

IOS Press, Amsterdam, 2001. 58, 60, 61

[58] Melchionna, S., Ciccotti, G., and Holian, B. L., 1993, Molec. Phys., 78, 533. 75

[59] Martyna, G., Tobias, D., and Klein, M., 1994, J. Chem. Phys., 101, 4177. 75, 83

[60] Melchionna, S., and Cozzini, S., 1998, University of Rome. 93

[61] Hockney, R. W., and Eastwood, J. W. 1981, Computer Simulation Using Particles. McGraw-

Hill International. 150, 152, 154

[62] Smith, W., 1992, Comput. Phys. Commun., 67, 392. 150

[63] Smith, W., and Fincham, D., 1993, Molecular Simulation, 10, 67. 150

[64] Bush, I. J., Todorov, I. T., and Smith, W., 2006, Computer Physics Communication, 175,

323. 153