iSimuL团队推出：基于GPU并行的高性能材料计算MD软件

首先，什么是 GPUMD？GPUMD 是 Graphics Processing Units Molecular Dynamics
的首字母缩写。Graphics Processing Units (GPU) 的中文意思是图形处理器，与中央处理器（Central
Processing Units，CPU）的概念相对。Molecular Dynamics (MD) 就是分子动力学的意思。合起来，GPUMD
指的是一个在图形处理器中编程实现的分子动力学模拟程序。在 GPU 中编程的标准语言是 CUDA，但 OpenCL 也很流行。GPUMD 是用
CUDA 编程实现的。以后我应该也不会考虑用 OpenCL。

读者会问：已经有很多 MD 程序了，为什么还要再写一个？我写 GPUMD 程序的初衷很简单：我学习 CUDA 编程之后，想写一个 MD
程序作为一个练习。我本人的研究领域之一是材料的热传导性质，其中用到的经验势主要是多体势函数，比如 Tersoff 势函数或者
Stilinger-Weber （SW）势函数。在编程过程中，我发现：现有的 MD 程序（例如非常有名的
LAMMPS）中关于多体势函数的公式体系存在问题。通过仔细的推导，我得到了一套非常优美的关于相互作用力、位力（virial）、以及热流（heat

current）的公式体系。其中，新的力的公式和以往的力的公式是等价的（必须的），但新的位力和热流的公式与以往的公式是不等价的。我的文章【1】指出以往的公式是错误的。不仅如此，新的公式体系非常适合利用
CUDA 编程实现。更重要的是，这些结果对所有多体势都适用。基于多体势的重要性，我觉得有必要写一个新的基于 GPU 的 MD
程序，并将它逐步发展为一个优秀的、开源的、免费的 MD 程序。

GPUMD 程序的 1.0 版本于 2017 年 7 月在 github 发布，到目前为止的最新版是 1.2 版本。每个版本都可以在 github 下载，地址为： https:// github.com/brucefan1983 /GPUMD 。以后如果有新的版本，都会在 github 更新。我也在筹划建立官方网站。

相对于其它软件，例如 LAMMPS，GPUMD 到底有什么优势呢？目前，GPUMD 的优势体现在如下几个方面：

1）更高效。用同样的 GPU，GPUMD 大概是 LAMMPS 的十倍快。具体数据见文章【2】。

2）使用了正确的热流公式。注意：LAMMPS 中的热流公式不适用于多体势【1】。

3）有不少专门研究热传导的功能，包括一个谱分解方法【3】。

4）输入脚本中的命令相对简单。（这也是个弱点，因为这代表功能不多、不灵活）

GPUMD 还处于初级阶段，其功能还非常有限。例如：

1）只实现了少数几种势函数：包括 Tersoff 势、SW 势、EAM 势（适用于金属的）等。更多的势函数会在以后慢慢加上。

2）只有少数几种功能，大部分都是和热传导有关的。因为我暂时没有研究其它问题的动机，所以很多功能，比如拉伸、切削等，都还没有考虑。以后应该会慢慢把这些常用的功能加上。

3）该程序的运行要求必须有 GPU 和 CUDA 开发环境，而且目前只支持单个 GPU 计算，没有多 GPU 并行。以后，我会考虑多 GPU 并行，但不会考虑开发纯 CPU 版本。这个程序的名字 GPUMD 就说明它是一个利用 GPU 的程序。

GPUMD 的编译非常简单。只要进入 src 文件夹，然后敲一下 make 即可。在 make 之前，读者可能需要稍微修改一下
makefile，使得编译选项更加符合自己的需要和所用的计算硬件。更多的细节可在程序的手册（doc 文件夹中的 pdf
文件）找到。说到手册，我要强调的是：一定要认真读手册。目前，GPUMD 的手册只有 60 页。虽然不长，但写这 60
页的手册大概花了我半年的时间。读者在使用 GPUMD 之前不需要将手册全部读完，但需要仔细阅读最后两章的内容。

有一点要提醒的是，我假设使用 GPUMD
的读者具有一定的编程能力，能熟练运用至少一门编程语言，自己建立模型（也就是模拟系统的初始坐标、原子类型、分组、盒子周期性与大小等）。我不会做任何与建模有关的功能。在我看来，会熟练运用一门编程语言是做任何与计算（模拟）有关的研究工作的基础。