Molekulare Simulationen mit ms2
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- Gitta Frank
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1 Thermodynamik-Kolloquium, Bayreuth Molekulare Simulationen mit ms2 S. Deublein 1, G. Guevara-Carion 1, M.Bernreuther 2, E. Elts 3, J. Vrabec 4, H. Hasse 1 1 Lehrstuhl hl für Thermodynamik, TU Kaiserslautern 2 Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart 3 Lehrstuhl für Wissenschaftliches Rechnen, TU München 4 Lehrstuhl für Thermodynamik und Energietechnik, Universität Paderborn
2 Molekulare Simulation Molekulare Modelle Geometrie Elektrostatik Dispersion & Repulsion Thermodynamische Größen g(r) p S h V D B 22 lnp H 2
3 Molekulare Simulation Molekulare Modelle Thermodynamische Größen g(r) p S h V D B 22 lnp H 3
4 ms2 Ziele und Anforderungen Anwendung: Berechnung aller gängigen thermodynamischen Zustandsgrößen Hochgenaue Ergebnisse (industrielle Anwendung) Einfaches User-Handling g( (GUI) Einfache Erweiterung Schnelle Antwortzeiten Informationstechnologie: Niedriger Laufzeit Nutzbarkeit auf unterschiedlichen Hardwareplattformen Numerische Robustheit 4
5 Molekulare Simulationen mit ms2 Simulationsbedingungen Molekulardynamik (MD) / Monte Carlo (MC) Reinstoffe / Mischungen Starre Moleküle Unterschiedliche Ensembles Grand Equilibrium Methode für VLE-Rechnung Stoffeigenschaften: Statisch: thermische, kalorische und entropische Größen Dynamisch: Transportgrößen (Diffusionskoeffizienten, Viskositäten) über Green-Kubo 5
6 ms2 Code: Modularer Aufbau Simulation Global l Ensemble Auswertung Komponente Molekül Wechselwirkungen: LJ-LJ Sites LJ Ladung (C) Dipol (DP) Quadrupol (QP) Position C - C C - DP C - QP DP - C DP - DP DP - QP QP - C QP - DP QP - QP 6
7 Parallelisierung MD Trivial Molekül 1 Prozessoren P 1 P 2 P 3 P N : : : y : : Molekül N Simulationszeit ~N(N-1) / 2 Parallelisierung ineffizient für dichte Systeme Molekül Molekül N 7
8 Parallelisierung Force decomposition Prozessoren Molekül 1 : : : : : P 1 P 2 P 3 P N optimales Load- Balancing Gute Vektorisierung Molekül N Molekül Molekül N 8
9 MD Speedup Equimolare Mischung Ethanol+Methanol NVT, T = 298 K Skaliert gut bis 32 Prozessoren 9
10 Parallelisierung MC: Optimalparallelisierung Starten vieler Markov-Ketten Ketten, ausgehend von equilibrierter Konfiguration Startkonfiguration Produktion Equilibrierung Ergebnis: Mittelung über alle Simulationen 10
11 MC Speedup Equimolare Mischung Ethanol+Methanol NVT, T = 298 K Nahezu perfektes Skaling Unabhängig von der Teilchenzahl 11
12 Vergleich mit anderen Simulations- Programmen pvt-verhalten Verhalten Equimolare Mischung aus Methanol + Ethanol mit 1372 Molekülen im NVT-Ensemble Molekulardynamik: ms2 vs. Gromacs 4.0 Monte Carlo: ms2 vs. MCCCS Towhee Basis: Gleiche Anzahl an Konfigurationen 12
13 Vergleich mit anderen Simulations- Programmen VLE Equimolare Mischung aus Methanol + Ethanol Flüssigphase: 1372 Moleküle Gasphase: 500 Moleküle Monte Carlo: ms2 vs. MCCCS Towhee ±0,2% ms2 vs. Errington ±1% Basis: Gleiche Rechenzeit (96 Stunden) ±10% 13
14 ms2-eingabe: ms2par JAVA basierend Generiert & Modifiziert Inputdaten für ms2 Einfacher Einstieg für ms2-user 14
15 ms2-auswertung: ms2chart JAVA basierend Analyse on the fly Überblick über alle Ergebnisse Hilfreich i bei vielen Simulationen 15
16 ms2-visualisierung: ms2molecules OpenGL Visualisierung on the fly möglich Rendering Snapshots und movies (avi) möglich 16
17 Zusammenfassung Neues Simulationstool zur Berechnung thermodynamischer Stoffgrößen Einfaches Handling der Simulationen mit GUI Schnelle Antwortzeiten / Lange Laufzeiten möglich Hohe Genauigkeit der Ergebnisse Frei verfügbar für akademische Nutzung unter 17
18 Ausblick / Erweiterungen von ms2 Anwendung Erweiterung auf flexible Moleküle Berechnung langreichweitiger Wechselwirkungen Ewald-Summation Informationstechnologie Integer-Arithmetik Hybrid MPI/OpenMPI Parallelisierung 18
19 Wässrige Elektrolytlösungen mit ms2 Normierte Dichten bei 293 K: Alkali/Halogenid Salze 19
20 Acknowledgements Finanzielle Förderung durch das BMBF 20
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