本文來源：“分子動力學(xué)”公眾號

看完《分子模擬從算法到應(yīng)用》那本書的第四章，不用全看完，但是至少要對分子動力學(xué)模擬過程有一個了解。試著按照書的過程做個Ar的NVE，其實(shí)Ar和離子晶體以及其它的任何材料的差別僅僅是勢函數(shù)的問題，雖然由勢函數(shù)帶來了一些問題，但是這些都不是本質(zhì)問題。從初始化的原子數(shù)，原子位置，初始速度，時(shí)間步長，初始溫度等等這些初始化結(jié)束了以后，選擇一個簡單的積分算法，如6階的Gear預(yù)測校正，不要控溫控壓，就是一個簡單的NVE，不要考慮任何的提高效率的鄰位算法，因?yàn)檫@個時(shí)候我們可以選擇5×5×5的超原胞，總共的原子數(shù)也就500個，不需要考慮鄰位算法。開始循環(huán)計(jì)算：預(yù)測----計(jì)算原子的力和能量—校正—輸出能量。

這樣最簡單的NVE就編成了，總共也就1000多行，是個很小的程序。自己先試著感受一下。其實(shí)當(dāng)這樣的小程序完成以后，你會覺得分子動力學(xué)編程也很簡單，那么接下來的復(fù)雜的分子動力學(xué)也不會是什么問題。

做完了這一些，你需要知道的是那些是和材料無關(guān)的東西，那么就盡量的分離，開始使用一個個的函數(shù)。例如，原子的位置是和具體的材料相關(guān)，但是初始速度卻和材料一點(diǎn)關(guān)系都沒有，同樣的數(shù)值積分中的預(yù)測和校正也是和材料無關(guān)的，以后的控溫和控壓算法也是和材料無關(guān)的。當(dāng)規(guī)模大了以后，鄰位算法也是和材料無關(guān)的，像這些和材料無關(guān)的部分最好自己做成小函數(shù)，選擇調(diào)用。以后換材料的時(shí)候程序也不會有太大的改動。

編程小技巧

1.選擇用intel編譯器，個人喜歡用10.1或者9.1的版本，打開優(yōu)化選擇，類似的/QaxS /QxS /Qipo /Qprec-div-等等，以后可以使用Openmp的并行計(jì)算（具體的可以參考intel編譯器的幫助手冊）

2.盡量的簡化計(jì)算，例如2×a就要寫成a+a，在計(jì)算機(jī)中，加減是一個數(shù)量的計(jì)算，乘是一個，除是一個。計(jì)算量逐漸增加，所以選擇a+a來替代2×a 會減少一些計(jì)算量

3.選擇數(shù)據(jù)來替代結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體看的比較方便，但是計(jì)算效率要低，尤其是在編譯過程中的矢量化的時(shí)候，而數(shù)組則可以很好的矢量化，也更適合并行。結(jié)構(gòu)體的計(jì)算是先找到結(jié)構(gòu)體指針，然后再找里面的參數(shù)，當(dāng)并行的時(shí)候，多線程同時(shí)找結(jié)構(gòu)體指針，會很大的減低速度。

4.除法盡量用乘法來替代，有了程序以后，自己可以仔細(xì)的分析里面的計(jì)算消耗，這樣可以更好的優(yōu)化計(jì)算，當(dāng)然最主要的消耗是在力和能量的計(jì)算中，可以選擇離散-插值的方法，使得不同的勢函數(shù)有相同的計(jì)算效率，也可以選擇鄰位算法來分塊計(jì)算。

NVT程序

當(dāng)簡單的NVE做完以后，可以直接做NVT，這僅僅是增加一個簡單的控溫，是很簡單的，早期編程的時(shí)候，建議選擇Nose-Hoover控溫，你會發(fā)現(xiàn) NVT也是如此的簡單。接下來，你可以考慮做做NPH，但是由于引入了壓強(qiáng)算法，原來的原子的位置和速度等等和笛卡爾系有關(guān)的一切內(nèi)容都要發(fā)生改變，這將讓你重新寫程序，可以說是一個完全不同的程序。不過，幸好我們已經(jīng)有了前面的一些經(jīng)驗(yàn)，NPH雖然復(fù)雜，但是并不是不可能完成的，注意的是和笛卡爾系相關(guān)的量要變化。早期的計(jì)算，可以選擇Anderson控壓算法。在完成了這些，可以說你已經(jīng)把最主要的分子動力學(xué)程序都完成了。

分子動力學(xué)算法

那么，接下來就是復(fù)雜的分子動力學(xué)算法了，試著選擇PR算法來代替Anderson壓強(qiáng)算法，然后選擇Metric-tensor來代替PR算法；選擇 Nose-Poincare來代替Nose-Hoover算法，選擇Generalized-Leap-Frog算法來替代預(yù)測校正算法，用Wolf來替代Ewalds算法，這些一步步的改進(jìn)都會讓你有很多新的發(fā)現(xiàn)。你會覺得你的程序達(dá)到了現(xiàn)在大部分軟件包沒有的功能。隨著規(guī)模的增大，你可以選擇 Verlet列表，原胞列表、結(jié)合法以及快速排序來實(shí)現(xiàn)鄰位算法，如果再有了openmp并行計(jì)算的加入，你會發(fā)現(xiàn)你的程序已經(jīng)有了一個質(zhì)的突破。

END

當(dāng)這些都完成了以后，接下來就可以改變勢函數(shù)來模擬不同的材料了，而且你對分子動力學(xué)的理解也會上升到一個新的高度，此外，其余相關(guān)的結(jié)果也不會是問題了，例如，彈性模量的計(jì)算，MSD，徑向分布函數(shù)等等。你可以直接的加入代碼來實(shí)現(xiàn)你想要的過程。