Моделирование – «наш» метод познания. Программа молекулярной динамики XMD::Журнал СА 7-8.2014
www.samag.ru
     
Поиск   
              
 www.samag.ru    Web  0 товаров , сумма 0 руб.
E-mail
Пароль  
 Запомнить меня
Регистрация | Забыли пароль?
Журнал "Системный администратор"
Журнал «БИТ»
Подписка
Архив номеров
Где купить
Наука и технологии
Авторам
Рекламодателям
Контакты
   

  Опросы
  Статьи

День сисадмина  

Учите матчасть! Или как стать системным администратором

Лето – время не только отпусков, но и хорошая возможность определиться с профессией

 Читать далее...

День сисадмина  

Живой айтишник – это всегда движение. Остановка смерти подобна

Наши авторы рассказывают о своем опыте и дают советы начинающим системным администраторам.

 Читать далее...

Виртуализация  

Рынок решений для виртуализации

По данным «Обзора российского рынка инфраструктурного ПО и перспектив его развития», сделанного

 Читать далее...

Книжная полка  

Как стать креативным и востребованным

Издательский дом «Питер» предлагает новинки компьютерной литературы, а также книги по бизнесу

 Читать далее...

Книжная полка  

От создания сайтов до разработки и реализации API

В издательстве «БХВ» недавно вышли книги, которые будут интересны системным администраторам, создателям

 Читать далее...

Разбор полетов  

Ошибок опыт трудный

Как часто мы легко повторяем, что не надо бояться совершать ошибки, мол,

 Читать далее...

Принципы проектирования  

Dependency Inversion Principle. Принцип инверсии зависимостей в разработке

Мы подошли к последнему принципу проектирования приложений из серии SOLID – Dependency

 Читать далее...

Рынок труда  

Вакансия: Администратор 1С

Администратор 1С – это специалист, который необходим любой организации, где установлены программы

 Читать далее...

Книжная полка  

Книги для профессионалов, студентов и пользователей

Книги издательства «БХВ» вышли книги для тех, кто хочет овладеть самыми востребованными

 Читать далее...

Принципы проектирования  

Interface Segregation Principle. Принцип разделения интерфейсов в проектировании приложений

Эта статья из серии «SOLID» посвящена четвертому принципу проектирования приложений – Interface

 Читать далее...

Книжная полка  

Секрет успешных людей

Книги издательства «БХВ» по ИТ рассчитаны на разные категории читателей: от новичков

 Читать далее...

Учебные центры  

Карьерные мечты нужно воплощать! А мы поможем

Школа Bell Integrator открывает свои двери для всех, кто хочет освоить перспективную

 Читать далее...

Гость номера  

Дмитрий Галов: «Нельзя сказать, что люди становятся доверчивее, скорее эволюционирует ландшафт киберугроз»

Использование мобильных устройств растет. А вместе с ними быстро растет количество мобильных

 Читать далее...

Прошу слова  

Твердая рука в бархатной перчатке: принципы soft skills

Лауреат Нобелевской премии, специалист по рынку труда, профессор Лондонской школы экономики Кристофер

 Читать далее...

1001 и 1 книга  
19.03.2018г.
Просмотров: 11252
Комментарии: 0
Потоковая обработка данных

 Читать далее...

19.03.2018г.
Просмотров: 9505
Комментарии: 0
Релевантный поиск с использованием Elasticsearch и Solr

 Читать далее...

19.03.2018г.
Просмотров: 9555
Комментарии: 0
Конкурентное программирование на SCALA

 Читать далее...

19.03.2018г.
Просмотров: 5976
Комментарии: 0
Машинное обучение с использованием библиотеки Н2О

 Читать далее...

12.03.2018г.
Просмотров: 6684
Комментарии: 0
Особенности киберпреступлений в России: инструменты нападения и защита информации

 Читать далее...

12.03.2018г.
Просмотров: 3979
Комментарии: 0
Глубокое обучение с точки зрения практика

 Читать далее...

12.03.2018г.
Просмотров: 2903
Комментарии: 0
Изучаем pandas

 Читать далее...

12.03.2018г.
Просмотров: 3704
Комментарии: 0
Программирование на языке Rust (Цветное издание)

 Читать далее...

19.12.2017г.
Просмотров: 3714
Комментарии: 0
Глубокое обучение

 Читать далее...

19.12.2017г.
Просмотров: 6204
Комментарии: 0
Анализ социальных медиа на Python

 Читать далее...

19.12.2017г.
Просмотров: 3055
Комментарии: 0
Основы блокчейна

 Читать далее...

19.12.2017г.
Просмотров: 3359
Комментарии: 0
Java 9. Полный обзор нововведений

 Читать далее...

16.02.2017г.
Просмотров: 7171
Комментарии: 0
Опоздавших не бывает, или книга о стеке

 Читать далее...

17.05.2016г.
Просмотров: 10552
Комментарии: 0
Теория вычислений для программистов

 Читать далее...

30.03.2015г.
Просмотров: 12264
Комментарии: 0
От математики к обобщенному программированию

 Читать далее...

18.02.2014г.
Просмотров: 13901
Комментарии: 0
Рецензия на книгу «Читаем Тьюринга»

 Читать далее...

13.02.2014г.
Просмотров: 9033
Комментарии: 0
Читайте, размышляйте, действуйте

 Читать далее...

12.02.2014г.
Просмотров: 6996
Комментарии: 0
Рисуем наши мысли

 Читать далее...

10.02.2014г.
Просмотров: 5304
Комментарии: 3
Страна в цифрах

 Читать далее...

18.12.2013г.
Просмотров: 4532
Комментарии: 0
Большие данные меняют нашу жизнь

 Читать далее...

18.12.2013г.
Просмотров: 3345
Комментарии: 0
Компьютерные технологии – корень зла для точки роста

 Читать далее...

Друзья сайта  

 Моделирование – «наш» метод познания. Программа молекулярной динамики XMD

Архив номеров / 2014 / Выпуск №7-8 (140-141) / Моделирование – «наш» метод познания. Программа молекулярной динамики XMD

Рубрика: Карьера/Образование /  Пятая пара

Сергей Ильичев СЕРГЕЙ ИЛЬИЧЕВ, ОУ «ТПКГ», г. Тула, системный администратор и учитель информатики, sergil68@mail.ru

Моделирование – «наш» метод познания
Программа молекулярной динамики XMD

Познакомимся с одним из решений моделирования процессов, происходящих в веществе на уровне атомов, молекул и кристаллических решеток. Речь пойдет о классической программе молекулярной динамики – XMD [1]

Этот материал может быть интересен как учителям информатики, старшеклассникам и студентам (тема «Моделирование» есть в перечне требований к предметным результатам Федерального государственного образовательного стандарта среднего (полного) общего образования), так и инженерам и исследователям различных специальностей (физика, химия, металловедение, материаловедение, дефектоскопия и т.д.). И, наконец, это может быть интересно просто людям любознательным, к которым, можно с уверенностью сказать, относятся большинство программистов и сисадминов.

Компьютерное моделирование – это современный и (в этом сходятся мнения многих исследователей) перспективный метод познания. Компьютерные модели проще и удобнее исследовать в случаях, когда реальные эксперименты затруднены из-за финансовых, физических или других препятствий, и описываемый метод моделирования не является исключением.

Программы молекулярной динамики

Молекулярная динамика (МД), или метод молекулярной динамики, известна с середины ХХ века (первая работа, посвященная МД, вышла в 1957 году – авторы Б. Алдер и Э. Вайнрайт). Изначально разработанный в теоретической физике этот метод моделирования получил большое распространение в химии и начиная с 1970-х годов в биохимии и биофизике. В наше время нанотехнологий с помощью средств МД уже изготавливают лекарства, и, возможно, в ближайшем будущем возникнет и новая специальность, например, «молекулярный инженер-конструктор» [2].

Для описания движения атомов или частиц в этом методе применяется классическая механика, при этом силы межатомного взаимодействия представляются в форме потенциальных сил (см. [3]). Если говорить точнее, в МД рассчитывается движение для каждого отдельного атома. Такой алгоритм осуществляется следующим образом:

  • начальные положения, скорости и массы каждого атома определены;
  • метод использует межатомные потенциалы, которые определяются заранее как функция потенциальной энергии, зависящая от расстояния между атомами (в простейшем случае);
  • используя ППВ, положения атомов и скорости, рассчитывается новое положение частиц через определенный временной интервал, который называется «шаг моделирования». Эти новые положения и скорости становятся исходными для шага вычислений 2, шаги 2, 3, 4 и т.д. повторяются через выбранный временной интервал;
  • как правило, моделирование молекулярной динамики будет включать тысячи таких временных шагов, каждый из которых соответствует доле пикосекунды (10-12 секунды).

Этот алгоритм – по существу интеграция ньютоновских уравнений движения материальной точки во времени, решение которых приводит к определенным положениям частиц и скоростям (желающим вникнуть в физику процесса глубже поможет любой поисковик или список литературы, приведенный в конце статьи).

В описаниях метода говорится, что МД нельзя противопоставлять натурным экспериментам, однако исследователям для понимания процессов, происходящих в веществе, иногда просто необходима визуализация (или расчет) движения атомов и структуры моделируемой системы. В настоящее время возможности персональных компьютеров позволяют проводить моделирование с помощью МД и получать при этом результаты (кстати, очень близкие к результатам настоящих экспериментов), которые еще десять лет назад могли быть получены лишь с помощью суперкомпьютеров. То есть исследователь при минимальных затратах может получить в свое распоряжение еще один весьма полезный и универсальный инструмент оценки результатов экспериментов [4, 5].

Существует множество программ для моделирования методом МД (список некоторых из них см. в таблице 1). В основном это иностранные пакеты программирования, для изучения которых потребуется знание английского языка. Хотя, нужно сказать, известны публикации еще советских ученых по этому вопросу [6], в которых видны основные принципы современных компьютерных систем МД. Однако массового применения эти разработки так и не получили в связи с известными событиями в нашей стране в 90-х годах прошлого века. Отрадно, что в настоящее время в российской науке возвращается интерес к данной теме (например, вот что нашлось в Google по запросу «российские системы молекулярной динамики» [5, 7]).

Еще один пакет программ, который не вошел в таблицу 1, но о котором пойдет речь, – это XMD. Предназначен он в основном для моделирования процессов, происходящих в металлах и керамике. Программа разработана в Коннектикутском университете США (University of Connecticut) под руководством Джона Рифкина (Jon Rifkin), доступна в исходных кодах и распространяется бесплатно под лицензией GPL. Пакет XMD постоянно дорабатывается, и на момент написания статьи используется версия программы 2.5.38. Отличительной особенностью этой программы, для работы с которой используется интерфейс командной строки (Command Line Interface, CLI), является то, что на ее вход подается текстовый файл, в котором исследователь с помощью специальных команд описывает необходимую кристаллическую решетку вещества и физические условия проведения эксперимента, а контролируемые показатели на выходе также записываются в файл. По существу для работы, кроме XMD, нужен лишь обычный текстовый редактор (подобный интерфейс еще имеет, например, пакет программ для моделирования LAMMPS).

Отсутствие графического интерфейса пользователя имеет даже свои преимущества – дает возможность разработчикам сосредоточиться на отладке численных методов и логике работы программы, а графика появляется лишь там, где она необходима, – при визуализации результатов эксперимента (об этом мы обязательно поговорим позднее).

Таблица 1. Программы для моделирования методом МД

Название Сайт проекта Примечания Лицензия/стоимость
CHARMM (Chemistry at HARvard Macromolecular Mechanics) http://www.charmm.org Программа МД Гарвардского университета (США). Разработана в основном для моделирования экспериментов в биологии Для использования в научных учреждениях/$600
LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) http://lammps.sandia.gov Одна из самых мощных программ МД. Разработана группой из Сандийских национальных лабораторий (США). Возможность многопроцессорных вычислений при использовании мощностей видеокарт NVIDIA (технология CUDA) GPL
HOOMD (Highly Optimized Object Oriented Molecular Dynamics) http://codeblue.umich.edu/hoomd-blue Пакет МД Мичиганского университета (США). В программе широко используется язык высокого уровня Рython Использование со ссылкой в публикации на сайт производителя/бесплатная
GROMACS (GROningen MAchine for Chemical Simulations) http://www.gromacs.org Гронингенская Машина для Химического Моделирования - пакет МД, первоначально разработанный группой из Гронингенского университета (Нидерланды). Пакет предназначен главным образом для моделирования биомолекул (белки и липиды) GPL
NAMD (NAnoscale Molecular Dynamics) http://www.ks.uiuc.edu/Research/namd Программа для МД, написанная с использованием модели параллельного программирования. Используется для симуляции больших систем (миллионы атомов). Разработана в Иллинойском университете (США). Связана с программой визуализации VMD того же университета Бесплатная

Статью целиком читайте в журнале «Системный администратор», №7-8 за 2014 г. на страницах 111-115.

PDF-версию данного номера можно приобрести в нашем магазине.


Комментарии отсутствуют

Добавить комментарий

Комментарии могут оставлять только зарегистрированные пользователи

               Copyright © Системный администратор

Яндекс.Метрика
Tel.: (499) 277-12-41
Fax: (499) 277-12-45
E-mail: sa@samag.ru