CHAPTER 01 · 시작

시작하기

LAMMPS 설치, 첫 명령, Lennard-Jones 액체 예제, 출력 파일의 의미.

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NOTE 31-01-00 · LAMMPS 시작하기

1. 일반 사항

A. 목적

  1. 이 노트는 LAMMPS 를 설치하고 첫 입력 스크립트를 실행하는 절차를 다룬다.
  2. LAMMPS 는 Sandia 국립연구소가 1990년대 후반부터 개발해 온 범용 분자동역학 시뮬레이션 패키지다.
  3. LAMMPS 는 원자, 입자, 거대 분자, 메타입자 같은 "점 입자" 시스템을 폭넓게 다룬다.

참고 LAMMPS 의 강점은 다음과 같다.

  • 같은 입력 스크립트를 노트북 한 대부터 수만 코어 슈퍼컴퓨터까지 거의 그대로 쓸 수 있다. 코드 자체가 MPI 기반으로 설계되어 있다.
  • Lennard-Jones, EAM, Tersoff, ReaxFF, OPLS, AMBER, CHARMM, COMPASS, MEAM, machine learning potential 등 수십 종의 상호작용 모델을 내장 또는 외부 패키지로 지원한다.
  • 사용자 커뮤니티가 활발하다. 공식 매뉴얼은 1500쪽이 넘고, 포럼(lammps.org/forum.html)에는 매일 새 질문과 답변이 올라온다.

B. 적용 범위

  1. 대상 계는 Lennard-Jones(LJ) 입자 4000개로 이루어진 액체다.
  2. 원자 종류와 상호작용은 각각 한 가지다.
  3. 단위계는 환원 단위(reduced units)다. 외부 데이터 파일이나 힘장 라이브러리가 필요 없다.

C. 결과 요약

  1. 온도는 초기값 1.44 에서 첫 50 step 안에 0.75 부근으로 떨어진다.
  2. 총 에너지 TotEng 은 약 −4.6231 부근에서 거의 일정하게 유지된다.
  3. 직렬 1 코어, 250 step 의 Loop time 은 0.350699 s 이다(LAMMPS 22 Jul 2025, conda-forge 빌드).

2. 준비 정보

A. 필요한 개념

  1. 터미널에서 명령을 실행하고 디렉터리를 옮길 수 있어야 한다.
  2. 분자동역학이 뉴턴 운동방정식을 수치 적분해 원자 궤적을 얻는 방법임을 알아야 한다.

B. 참조 자료

참조 제목
LAMMPS 다운로드 페이지 lammps.org/download.html
LAMMPS 사용자 포럼 lammps.org/forum.html
NOTE 33-01-00 예제 E1 — LJ 액체 (NVE) 첫 실행

C. 사용 프로그램

항목 용도
LAMMPS 실행 파일 (lmp) 시뮬레이션 실행
mpirun 또는 mpiexec 병렬 실행

D. 관련 파일

항목 용도
in.lj LJ 액체 입력 스크립트(3.B 에서 작성)

3. 절차

A. 설치 확인

  1. 아래 표에서 환경에 맞는 방법으로 LAMMPS 를 설치한다.
OS / 환경 가장 빠른 설치 방법
Linux (Ubuntu/Debian) sudo apt install lammps
Linux (Conda) conda install -c conda-forge lammps
macOS (Homebrew) brew install lammps
Windows WSL2 후 Ubuntu 방식 또는 공식 바이너리 (lammps.org/download.html)
HPC / 워크스테이션 module load lammps 또는 소스 빌드

참고 소스에서 직접 빌드하면 포함할 패키지를 세밀하게 조절할 수 있다. 입문 단계에서는 패키지 매니저 설치로 충분하다.

  1. 터미널에서 다음을 실행한다.
lmp -h
  1. 도움말과 빌드에 포함된 패키지 목록이 출력되는지 확인한다. 출력되면 설치가 정상이다.
  2. 자기 환경에서 쓸 수 있는 실행 파일 이름을 확인한다. 빌드 방식에 따라 lmp, lmp_serial, lmp_mpi, lmp_<machine> 등으로 달라진다.

참고 실행 파일 이름이 다를 때: 소스 빌드는 보통 lmp_mpi(MPI 빌드)와 lmp_serial(직렬 빌드)을 함께 만든다. 이 가이드는 일관되게 lmp 라고 쓴다. 자기 환경에 맞는 이름으로 바꿔 읽는다.

B. 입력 파일 작성

  1. 다음 내용을 in.lj 라는 파일로 저장한다.
# in.lj — 가장 단순한 Lennard-Jones 액체

units           lj
atom_style      atomic

lattice         fcc 0.8442
region          box block 0 10 0 10 0 10
create_box      1 box
create_atoms    1 box

mass            1 1.0

pair_style      lj/cut 2.5
pair_coeff      1 1 1.0 1.0 2.5

velocity        all create 1.44 87287 loop geom

neighbor        0.3 bin
neigh_modify    every 20 delay 0 check no

fix             1 all nve

thermo          50
run             250

참고 이 스크립트는 fcc 격자로 4000개 LJ 입자를 만들고 초기 속도를 무작위로 준다. 이후 NVE 앙상블에서 250 스텝 동안 적분한다.

C. 실행

주의 입력 파일은 -in in.lj 로 넘긴다. 매뉴얼은 lmp -in in.lj 형태를 권한다. lmp < in.lj 처럼 표준 입력으로 넘겨도 동작은 한다. 그러나 mpirun 또는 mpiexec 로 병렬 실행할 때 일부 환경에서 리디렉션 연산자가 제대로 동작하지 않는다.

  1. 직렬(1 코어) 또는 병렬(4 코어)로 실행한다.
# 직렬 실행 (1 코어)
lmp -in in.lj > out.lj

# 병렬 실행 (4 코어)
mpirun -np 4 lmp -in in.lj > out.lj
  1. 실행이 끝나면 출력 파일 out.lj 와 로그 파일 log.lammps 가 생성되었는지 확인한다. 둘 다 텍스트 파일이므로 일반 에디터로 연다.

4. 시험 및 검사

A. thermo 출력 확인

  1. out.lj 끝부분의 표를 확인한다. 아래 값은 LAMMPS 22 Jul 2025(conda-forge 빌드)로 같은 입력을 직렬 실행해 얻었다.
   Step          Temp          E_pair         E_mol          TotEng         Press
         0   1.44          -6.7733681      0             -4.6139081     -5.0199732
        50   0.74368149    -5.7370606      0             -4.6218173      0.30804835
       100   0.75715334    -5.7581426      0             -4.6226965      0.20850222
       150   0.7518449     -5.7510464      0             -4.623561       0.22707058
       200   0.75139921    -5.7500924      0             -4.6232753      0.25362795
       250   0.75954471    -5.7621762      0             -4.623144       0.21729981
Loop time of 0.350699 on 1 procs for 250 steps with 4000 atoms
  1. 각 열의 의미를 확인한다.
    1. Step 은 시뮬레이션 스텝 번호다.
    2. Temp 는 온도다.
    3. TotEng 은 총 에너지(kinetic + potential)다.
  2. 온도가 1.44 에서 0.75 부근으로 떨어지며 평형에 이르는지 확인한다.
  3. TotEng 이 약 −4.6231 부근에서 거의 일정하게 유지되는지 확인한다. 일정하면 NVE 적분이 에너지를 잘 보존한 것이다.

참고 온도가 떨어지는 이유는 NVE 앙상블에서 초기 격자가 풀리면서 운동에너지가 포텐셜에너지로 나뉘어 들어가기 때문이다. 첫 시뮬레이션으로 NVE 를 자주 돌리는 이유도 이 에너지 보존 점검에 있다.

  1. 마지막 줄의 Loop time 을 확인한다. 이 값은 시뮬레이션에 걸린 wall-clock 시간이며 성능 진단의 출발점이다.

참고 코어 수나 시스템 크기를 바꿔 가며 Loop time 의 변화를 보면 성능 감각을 가장 쉽게 익힐 수 있다.

LJ 액체 첫 시뮬레이션의 온도와 총 에너지 추이
그림 1. 위 입력 파일로 얻은 thermo 출력의 시각화. 왼쪽: 초기 1.44 였던 온도가 첫 50 step 만에 0.75 부근으로 떨어진다(평형화). 오른쪽: 총 에너지(녹색)가 거의 일정하게 유지되어 NVE 적분이 에너지를 잘 보존한다. 보라색은 포텐셜 에너지(E_pair).

B. 재현 여부 확인

경고 스텝별 거동이 재현되지 않으면 입력에 오타가 있거나 LAMMPS 버전이 아주 오래되었을 가능성이 높다.

  1. 자기 환경의 결과를 4.A 의 표와 비교한다.
  2. 마지막 자리 부동소수점은 조금 달라도 된다.
  3. 스텝별 거동은 같아야 한다. 온도는 1.44 → 0.75 부근으로 떨어지고 총 에너지는 보존된다.

5. 종료

B. 후속 작업

  1. 이 in.lj 예제의 전체 입력·실행·출력은 예제 E1 — LJ 액체 (NVE) 첫 실행 에 한자리에 모여 있다.