CHAPTER 06 · 시뮬레이션 만들기

셋업과 실행

velocity, timestep, fix(NVE/NVT/NPT/Langevin), minimize, run — 시뮬레이션을 돌리는 마지막 한 묶음.

이 페이지에서 다룹니다

6.1 동역학을 돌리기 위한 마지막 한 묶음

박스, 원자, 힘장이 모두 정의되었다면 시뮬레이션을 시작하기까지 보통 다음 다섯 가지를 더 정합니다.

  1. 초기 속도 — velocity
  2. 시간 간격 — timestep
  3. 이웃 리스트 — neighbor, neigh_modify
  4. 앙상블 / 제약 — fix
  5. 실행 — minimize 또는 run

이 묶음은 워낙 자주 묶여 다니므로 입력 스크립트의 3·4단계 표준 마무리 라고 봐도 무방합니다.

6.2 velocity — 초기 속도 부여

velocity        all create 300.0 12345 mom yes rot yes dist gaussian
  • all — 속도를 줄 그룹 이름 (group 명령으로 정의 가능, all 은 기본 제공)
  • create 300.0 12345 — 가우시안 분포로 온도 300 K, 시드 12345
  • mom yes — 시스템 전체 운동량을 0으로 보정
  • rot yes — 시스템 전체 각운동량을 0으로 보정 (비주기 시스템에서 권장)
  • dist gaussian — 가우시안 분포 (기본은 uniform)

비주기 시스템에서 mom/rot 을 켜지 않으면 시스템 전체가 일정 속도로 흘러가 버립니다(drift). 항상 켜 두는 것을 권장합니다.

6.3 timestep — 적분 시간 간격

timestep        1.0      # units real 의 경우 1 fs
units 보통 출발점
real 1.0 (fs)
metal 0.001 (ps = 1 fs)
lj 0.005 (τ)

물 또는 H 가 있는 시스템에서 1 fs도 길게 느껴지면, 결합을 SHAKE/RATTLE 로 구속하고 timestep을 2 fs로 늘리는 것이 일반적입니다.

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

6.4 neighbor — 이웃 리스트

neighbor        2.0 bin
neigh_modify    every 1 delay 0 check yes
  • neighbor 2.0 bin — 이웃 리스트의 buffer skin 2.0 (단위계 길이), bin 방식
  • neigh_modify ... — 매 step 마다 체크하고 필요하면 재구성

units lj 에서는 보통 neighbor 0.3 bin, units real / metal 에서는 neighbor 2.0 bin 정도가 안전한 출발점입니다. 잘못 잡으면 "Lost atoms" 또는 "Neighbor list overflow" 오류가 나기 쉽습니다.

6.5 fix — 거의 모든 것을 하는 명령

fix 는 LAMMPS에서 가장 자주 등장하는 명령입니다. 앙상블 적분, 제약 조건, 외력, 측정량 평균, 통계 출력 — 거의 모두 fix로 표현합니다.

기본 형식:

fix             ID  group-ID  style  arguments...

가장 자주 쓰는 적분 fix는 다음과 같습니다.

NVE (마이크로캐노니컬)

fix             1 all nve

가장 단순. 에너지 보존이 검증되는 유일한 앙상블이라 처음 시험할 때 자주 씁니다.

NVT (캐노니컬, Nose-Hoover 열욕)

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

T_damp 는 보통 timestep × 100 정도가 출발점 (units real 에서 100 fs).

NPT (등압등온)

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

iso 외에 aniso(축별 독립), tri(완전 비등방), x/y/z(축 지정) 등이 가능합니다. P_damp 는 보통 T_damp × 10 정도.

Langevin 온도 욕조 (NVT 대안)

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

Langevin은 NVT와 비슷한 효과를 주지만 표면 흡착 또는 거대 분자 시스템에서 Nose-Hoover보다 빠르게 평형으로 끌고 갑니다.

적분 fix는 한 개만

같은 그룹에 동시에 두 개의 적분 fix(예: nve와 nvt)를 걸면 적분이 두 번 이루어져 결과가 망가집니다. Langevin과 NVE 조합처럼 명시적으로 "적분은 nve가, 온도 제어는 langevin이" 하도록 분리된 경우만 두 fix를 같이 씁니다.

그 외 자주 쓰는 fix

fix 역할
fix shake 결합/각도 구속 (긴 timestep용)
fix wall/lj93 LJ 벽 (슬랩 비주기 면)
fix recenter 시스템 무게 중심 고정
fix momentum 주기적으로 운동량 0으로 리셋
fix print 시뮬레이션 중 변수를 파일에 출력
fix ave/time 시간 평균 출력
fix indent 점진적 압축(인덴터)

6.6 minimize — 에너지 최소화

격자에서 만든 시스템이나 데이터 파일에서 막 읽은 시스템은 종종 어떤 원자가 너무 가깝게 놓여 있어 첫 적분에서 폭주합니다. minimize 를 먼저 돌리는 것이 가장 안전합니다.

min_style       cg                    # 또는 sd, fire, hftn
minimize        1.0e-4 1.0e-6 1000 10000
#               etol    ftol  maxiter maxeval
  • etol — 에너지 수렴 기준 (상대 변화량)
  • ftol — 힘 수렴 기준 (norm)
  • maxiter — 최대 iteration
  • maxeval — 최대 에너지/힘 평가 횟수

대부분의 경우 cg(conjugate gradient)가 합리적이고, 매우 거친 초기 구조라면 fire 가 안정적입니다.

6.7 run — 적분 실행

run             10000

run 또는 minimize 가 호출되기 전까지의 모든 명령은 단순히 설정만 누적할 뿐 실제 계산은 일어나지 않습니다.

run 명령의 옵션도 알아두면 유용합니다.

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

6.8 전형적인 입력 마무리

이 모든 것을 묶으면 보통 입력 스크립트의 끝은 다음과 같은 형태가 됩니다.

# === 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

이 순서가 거의 모든 입문 예제에 들어맞는 표준 구성입니다.

전체 예제로 보기

아래에서 요약한 in.demo 의 전체 스크립트와 RDF·MSD 분석까지를 한 페이지에 모은 것이 예제 E2 — LJ 5단계 입니다.

실제로 돌려본 결과 — LJ 액체의 NPT 안정성

본 가이드의 검증을 위해 위 패턴을 LJ 액체에 적용해 실제로 돌려보았습니다. 8 × 8 × 8 격자(fcc 0.8442, 원자 2048개)를 최소화 → NVT (T = 1.0, 2000 step) → NPT (T = 1.0, P = 0.5, 3000 step) → production (NPT, 5000 step) 흐름으로, LAMMPS 22 Jul 2025 직렬 빌드에서 약 7초 만에 완료됐습니다.

# 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)

production 단계의 thermo 추이를 보면, 온도는 setpoint 1.0 부근에서 ±0.04 정도, 압력은 setpoint 0.5 부근에서 ±0.2 정도로 진동하면서 평형을 유지합니다. 밀도는 0.69–0.70 부근으로 NPT 평형에 도달했습니다.

LJ 액체 NPT production 단계의 온도·압력·밀도 추이
그림 1. NPT production 5000 step의 thermo 추이. 좌: 온도가 setpoint T = 1.0 근방에서 정착(thermostat 동작 확인). 중: 압력이 setpoint P = 0.5 근방으로 수렴(barostat 동작 확인). 우: 밀도가 0.69–0.70 부근에서 평형. 모두 본 가이드의 in.demo 를 LAMMPS 22 Jul 2025 (conda-forge, 직렬)로 실제 실행해 얻은 값입니다.
검증된 NVT → NPT 워크플로

위 패턴(velocity → minimize → NVT 단기간 → NPT)은 작은 LJ 시스템부터 큰 분자 시스템까지 거의 그대로 통합니다. 시스템에 따라 timestep, T_damp, P_damp 값만 조정하면 됩니다. 본 가이드의 in.demo 와 출력 파일은 저장소의 guides/lammps/.build/lammps-demo/ 에서 직접 확인할 수 있습니다.

6.9 다음 단계

이제 시뮬레이션을 돌릴 수 있게 됐으니, 그 결과를 어떻게 출력하고 분석할지 배울 차례입니다. 다음 장에서는 thermo, dump, compute, fix ave/* 와 대표적인 후처리 도구를 다룹니다.