셋업과 실행

NOTE 31-06-00 · 셋업과 실행

1. 일반 사항

A. 목적

1. 이 노트는 박스, 원자, 힘장을 정의한 뒤 시뮬레이션 시작 전에 정하는 명령을 다룬다.
2. 대상 명령은 다음 다섯 묶음이다.
   1. 초기 속도: velocity
   2. 시간 간격: timestep
   3. 이웃 리스트: neighbor, neigh_modify
   4. 앙상블 / 제약: fix
   5. 실행: minimize 또는 run

B. 적용 범위

1. units real, metal, lj 의 timestep 출발점을 다룬다(3.B).
2. 적분 fix는 NVE, NVT, NPT, Langevin 열욕을 다룬다(3.E).

C. 결과 요약

1. 입문 예제는 거의 다 3.I 의 순서(velocity → minimize → 짧은 NVT → NPT)로 짤 수 있다.
2. LJ 액체 2048개에 이 순서를 적용하면 production 단계에서 온도 1.0 ± 0.04, 압력 0.5 ± 0.2 정도로 진동하며 평형을 유지한다(4.A).
3. 같은 실행에서 밀도는 0.69–0.70 부근에서 NPT 평형에 이른다.

2. 준비 정보

A. 필요한 개념

1. 박스, 원자, 힘장이 모두 정의되어 있어야 한다.

B. 참조 자료

C. 사용 프로그램

D. 관련 파일

3. 절차

A. velocity: 초기 속도 부여

1. 초기 속도를 다음과 같이 부여한다.

velocity        all create 300.0 12345 mom yes rot yes dist gaussian

2. 각 인자의 의미를 확인한다.
   1. all: 속도를 줄 그룹 이름 (group 명령으로 정의 가능, all 은 기본 제공)
   2. create 300.0 12345: 가우시안 분포로 온도 300 K, 시드 12345
   3. mom yes: 시스템 전체 운동량을 0으로 보정
   4. rot yes: 시스템 전체 각운동량을 0으로 보정 (비주기 시스템이라면 켜 둔다)
   5. dist gaussian: 가우시안 분포 (기본은 uniform)

B. timestep: 적분 시간 간격

1. 적분 시간 간격을 설정한다.

timestep        1.0      # units real 의 경우 1 fs

2. 단위계별 출발점을 아래 표에서 고른다.

3. 물이나 H 가 있는 시스템에서 1 fs로도 불안하면 결합을 SHAKE/RATTLE 로 구속한다.
4. 구속한 뒤 timestep을 2 fs로 늘린다.

fix             shake all shake 0.0001 20 0 b 1 a 1
timestep        2.0

C. neighbor: 이웃 리스트

1. 이웃 리스트를 다음과 같이 설정한다.

neighbor        2.0 bin
neigh_modify    every 1 delay 0 check yes

2. 각 명령의 의미를 확인한다.
   1. neighbor 2.0 bin: 이웃 리스트의 buffer skin 2.0 (단위계 길이), bin 방식
   2. neigh_modify ...: 매 step 마다 체크하고 필요하면 재구성
3. skin 값은 units lj 에서 neighbor 0.3 bin, units real / metal 에서 neighbor 2.0 bin 정도로 시작한다.

D. fix: 기본 형식

1. fix 를 다음 형식으로 쓴다.

fix             ID  group-ID  style  arguments...

E. 적분 fix 선택

1. NVE (마이크로캐노니컬)는 다음과 같이 건다.

fix             1 all nve

2. NVE는 가장 단순하다. 에너지 보존이 검증되는 유일한 앙상블이라 처음 시험할 때 자주 쓴다.
3. NVT (캐노니컬, Nose-Hoover 열욕)는 다음과 같이 건다.

fix             1 all nvt temp 300.0 300.0 100.0
#                          T_start T_stop T_damp

4. T_damp 는 timestep × 100 정도에서 시작한다(units real 에서 100 fs).
5. NPT (등압등온)는 다음과 같이 건다.

fix             1 all npt temp 300.0 300.0 100.0 iso 1.0 1.0 1000.0
#                                                  ^ ^   ^   ^
#                                              P_axis P_s P_e P_damp

6. 압력 결합 방식을 고른다. iso 외에 aniso(축별 독립), tri(완전 비등방), x/y/z(축 지정) 등이 가능하다.
7. P_damp 는 보통 T_damp × 10 정도로 둔다.
8. Langevin 열욕 (NVT 대안)은 다음과 같이 건다.

fix             1 all nve
fix             2 all langevin 300.0 300.0 100.0 12345

F. 그 외 fix

1. 필요에 따라 아래 fix를 더한다.

G. minimize: 에너지 최소화

1. 적분 전에 minimize 를 먼저 돌린다.

min_style       cg                    # 또는 sd, fire, hftn
minimize        1.0e-4 1.0e-6 1000 10000
#               etol    ftol  maxiter maxeval

2. 각 인자의 의미를 확인한다.
   1. etol: 에너지 수렴 기준 (상대 변화량)
   2. ftol: 힘 수렴 기준 (norm)
   3. maxiter: 최대 iteration
   4. maxeval: 최대 에너지/힘 평가 횟수
3. 최소화 방식은 대개 cg(conjugate gradient)로 충분하다.
4. 초기 구조가 아주 거칠면 fire 를 쓴다. fire 가 안정적이다.

H. run: 적분 실행

1. 적분을 실행한다.

run             10000

2. 필요하면 아래 옵션을 쓴다.

run             10000 every 100 "print 'step $step done'"   # 매 100 step 후 명령 실행
run             50000 pre no post no                         # 연속 run의 초기화 생략
run             20000 start 0 stop 100000                    # fix nvt 의 T_start~T_stop 보정용

I. 전형적인 입력 마무리

1. 3.A–3.H 의 명령을 다음 순서로 묶어 입력 스크립트의 끝을 구성한다.

# === 시뮬레이션 설정 ===
velocity        all create 300.0 12345 mom yes rot yes
timestep        1.0
neighbor        2.0 bin
neigh_modify    every 1 delay 0 check yes

# === 단계별 fix ===
min_style       cg
minimize        1.0e-4 1.0e-6 1000 10000

fix             1 all nvt temp 300.0 300.0 100.0
thermo          1000
run             50000              # 평형화

unfix           1
fix             1 all npt temp 300.0 300.0 100.0 iso 1.0 1.0 1000.0
run             200000             # 생성 시뮬레이션

4. 시험 및 검사

A. LJ 액체의 NPT 안정성

1. 3.I 의 패턴을 LJ 액체에 적용한다.
2. 시스템은 8 × 8 × 8 격자(fcc 0.8442, 원자 2048개)로 만든다.
3. 최소화 → NVT (T = 1.0, 2000 step) → NPT (T = 1.0, P = 0.5, 3000 step) → production (NPT, 5000 step) 순서로 실행한다.
4. 실행 시간은 LAMMPS 22 Jul 2025(conda-forge) 직렬 빌드에서 약 7초다.

# in.demo (요약) — 위 패턴의 LJ 버전, 실제 실행된 입력
units           lj
atom_style      atomic
lattice         fcc 0.8442
region          box block 0 8 0 8 0 8
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 1.0 12345 mom yes rot yes dist gaussian
neighbor        0.3 bin
neigh_modify    every 20 delay 0 check no

min_style       cg
minimize        1.0e-4 1.0e-6 1000 10000

fix             1 all nvt temp 1.0 1.0 0.5
run             2000
unfix           1

fix             2 all npt temp 1.0 1.0 0.5 iso 0.5 0.5 5.0
run             3000
# (이후 reset_timestep 0; production run 5000)

5. production 단계의 thermo에서 온도를 확인한다. setpoint 1.0 부근에서 ±0.04 정도로 진동해야 한다.
6. 압력을 확인한다. setpoint 0.5 부근에서 ±0.2 정도로 진동해야 한다.
7. 밀도를 확인한다. 0.69–0.70 부근에서 NPT 평형에 이르러야 한다.

5. 종료

B. 후속 작업

1. 다른 시스템에 같은 흐름(velocity → minimize → 짧은 NVT → NPT)을 적용한다.