Суперкомпьютерные дни в России 2015 // Russian Supercomputing Days 2015 // RussianSCDays.org Использование программных пакетов LAMMPS и GROMACS для высокопроизводительного моделирования напыления наноструктурированных тонких плёнок* А.Н. Шаров1, М.Ю. Козьмин1, А.А. Горох2, С.А. Шарапова2, А.В. Сулимов2, Д.В. Лукьяненко1 МГУ имени М.В. Ломоносова: физический факультет1, Научно-иссле овательский в числительн й ентр МГУ имени М.В. Ломоносова2 В работе пре ставлен по хо к молекулярному мо елированию современн х в со- коэнергетических про ессов нап ления оптических нанопокр тий иокси а крем- ния на по ложку и его реализа ия с использованием суперкомпьютера «Ломоносов» и программн х пакетов ля решения за ач молекулярной инамики LAMMPS и GROMACS. В результате работ б ли получен нап ленн е слои толщиной о не- скольких есятков нанометров, со ержащих более миллиона атомов. Б ли рассчита- н различн е структурн е характеристики полученного слоя и прове ено сравнение с экспериментальн ми анн м. Б ло прове ено сравнение результатов нап ления, полученн х с помощью указанн х программн х пакетов, и сравнение эффективно- сти работ самих программн х пакетов. 1. Введение Нап ление тонкоплёночн х покр тий имеет множество практически важн х приложений в науке и технике: от широко используем х потребительских про уктов таких, как мобильн е телефон , камер , очки, о всех типов лазеров, телекоммуника ионн х фильтров и т. . [1-3]. Этой тематике посвящено множество теоретических и экспериментальн х работ. В анной ра- боте рассматривается сле ующая проблема [1]: структурн е нео норо ности нап лённ х тон- ких плёнок масштаба нанометров могут значительно повлиять на практические свойства ан- н х плёнок. Эти нео норо ности зависят от различн х условий, реализующихся в эксперимен- тальн х установках, и их мо елирование на атомистическом уровне пре ставляет существен- н й интерес и может помочь на практике гарантированно получать покр тия с за анн ми ха- рактеристиками. В работе пре ставлен по хо к молекулярному мо елированию современн х в сокоэнергетических про ессов нап ления оптических нанопокр тий иокси а кремния на по ложку и его реализа ия с использованием суперкомпьютера «Ломоносов» и программн х пакетов ля решения за ач молекулярной инамики LAMMPS и GROMACS. В результате ра- бот б ли получен нап лённ е слои толщиной о нескольких есятков нанометров, со ер- жащих более миллиона атомов. Б ли рассчитан различн е структурн е характеристики по- лученного слоя, такие как плотность, ра иальная функ ия распре еления, количество точечн х ефектов и ругие. Б ли рассмотрен ве мо ели нап ления, использующие о но и то же ори- гинальное силовое поле, прове ено сравнение результатов нап ления ля этих вух мо елей, а также прове ено сравнение эффективности работ самих программн х пакетов в многопро- ессорн х режимах как при использовании в числительн х узлов CPU, так и графических уз- лов. Получено хорошее совпа ение характеристик нап ленн х слоев, полученн х при мо е- лировании, с экспериментальн ми характеристиками квар евого стекла и нанопокр тий иок- си а кремния. Структура работ сле ующая. В раз еле 2 опис вается про е ура нап ления с помощью программного пакета LAMMPS, которая является и ентичной про е уре нап ления с помо- щью пакета GROMACS, описанной в работе [1]. Демонстрируется совпа ение смо елирован- н х структурн х характеристик полученного слоя с экспериментальн ми характеристиками. В раз еле 3 сравнивается эффективность параллельн х алгоритмов, заложенн х в рассматривае- м х программн х пакетов молекулярной инамики. * Работа в полнена при по ержке РНФ, ко проекта 14-11-00409. 185 Суперкомпьютерные дни в России 2015 // Russian Supercomputing Days 2015 // RussianSCDays.org 2. Процедура напыления Приве ем описание про е ур нап ления, используемой при симуля ии нап ления в LAMMPS. В анном численном эксперименте б ла использована версия LAMMPS v. 18 Sep. 2014, программа б ла скомпилирована на суперкомпьютере «Ломоносов» с ополнительн ми библиотеками USER-CUDA и USER-MISC. В качестве компилятора б л использован mpicxx (OpenMPI). В качестве области молекулярно- инамического мо елирования б л в бран параллелепи- пе размерами 28x23x30 нм с перио ическими граничн ми условиями по всем направлениям. Размер этой области не менялись во время мо елирования. Используется ансамбль NVT, T = 300 K. Стенка с потен иалом Ленар а-Джонса устанавливается в коор инате z=0, коман а fix wall/lj93 zlo EDGE 1.0 1.0 2.5 (\sigma = 1.0, \epsilon = 1.0, cutoff = 2.5). Сверху от этой стенки помещается пре варительно приготовленная по ложка стеклообразного SiO2, состоящая из 90000 атомов. Для вставки нов х атомов используется коман а fix_depose. Атом кремния и кислоро а вставляются на в соте 4нм от поверхности пленки с энергиями 10 ev и 0.05 ev, соответственно. Положения ля вставки атомов кремния и кислоро а в бираются случайно, с равномерн м распре елением, и независимо руг от руга. Вставка атомов кремния происхо ит каж е 40 фс, кислоро а – 20 фс. Чтоб избежать накопления заряженного облака атомов кислоро а на пленкой, на в соте 5нм от пленки устанавливается еще о на стенка (коман ой fix oneway). Тог а те атом кисло- ро а, котор е отразились при первом столкновении с пленкой, снова попа ают на неё через время поря ка 10 пс. Во время нап ления в сота пленки постепенно растет, поэтому стенка равномерно с вигается вверх со скоростью 2.3 нм/нс, что на 50% прев шает скорость роста пленки: 1.5 нм/с. Данная величина б ла рассчитана ля режима, ког а частота вставки нов х атомов равна 75 пс-1, а плотность \rho=2.15 г/см3. Таблица 1. Сравнение структурн х характеристик по ложки и нап лённой плёнки Характеристика По ложка Пленка Плотность 2,158 г/см3 2,447 г/см3 Сре нее расстояние Si-O 0,16578 нм 0,16583679 нм O-O 0,2698 нм 0,2702 нм Деффект Si Доля 3-коор инированн х Si: 0,00434268 0,00786969 Доля 4-коор инированн х Si: 0,99447296 0,98792094 Доля 5-коор инированн х Si: 0,00118437 0,00420937 Деффект O Доля 1-коор инированн х O: 0,02515455 0,06433064 Доля 2-коор инированн х O: 0,96162865 0,90458221 Доля 3-коор инированн х O: 0,0132168 0,0294699 Сре ний угол O-Si-O 109,335 109,263 Si-O-Si 144,835 142,005 Аналогичн е результат б ли получен и в результате про е ур нап ления иокси а кремния с такими же параметрами с помощью пакета GROMACS. Соответствующая про е ура по робно описана в работе [1] и не приво ится з есь. 3. Сравнение эффктивности программных пакетов Lammps и Gromax Эффективность программн х пакетов иссле овалась при использовании 90000 атомов на временах 14 пс. При расчете с помощью пакета Lammps использовались как в числительн е узл CPU, так и графические узл GPU. При этом на о ин узел прихо ится либо 8 CPU, либо 2 GPU. 186 Суперкомпьютерные дни в России 2015 // Russian Supercomputing Days 2015 // RussianSCDays.org Рис. 1. Эффективность распараллеливания программн х пакетов Gromax и Lammps. Рис. 2. Время в числений с помощью пакетов Gromax и Lammps на различном числе узлов. Эффективность распараллеливания пакета Gromax существенно в ше эффективности рас- параллеливания пакета Lammps. Распараллеливание пакета Gromax эффективно о 16 узлов включительно, в то время как распараллеливание Lammps эффективно лишь о 4-8 узлов. По 187 Суперкомпьютерные дни в России 2015 // Russian Supercomputing Days 2015 // RussianSCDays.org абсолютному времени в числений Lammps превосхо ит Gromax на небольшом числе узлов ( о 8) и уступает ему при использовании большего числа узлов. Рис. 3. Время в числений с помощью пакета Lammps и использования о ной графической ви ео- карт на узел и вух графических ви еокарт на узел При использовании графических ви еокарт эффективнее использование 2 GPU на о ин узел. Сравнение эффективности также прове ено с использованием 950000 атомов на временах 6 пс. Рис. 4. Время в числений с помощью пакетов Gromax и Lammps на различном числе узлов. 188 Суперкомпьютерные дни в России 2015 // Russian Supercomputing Days 2015 // RussianSCDays.org Аналогично пре ущему результату по абсолютному времени использование пакета Lammps и графических узлов GPU превосхо ит пакет Gromax при использовании от 1 о 8 уз- лов. При использовании более 8 узлов программн й пакет Gromax эффективнее программного пакета Lammps. 4. Заключение В результате работ б ли получен нап лённ е слои толщиной о нескольких есятков нанометров, со ержащих более миллиона атомов. Б ли рассчитан различн е структурн е характеристики полученного слоя, такие как плотность, ра иальная функ ия распре еления, количество точечн х ефектов и ругие. Б ли рассмотрен ве мо ели нап ления, исполь- зующие о но и то же оригинальное силовое поле, прове ено сравнение результатов нап ления ля этих вух мо елей, а также прове ено сравнение эффективности работ самих программ- н х пакетов в многопро ессорн х режимах как при использовании в числительн х узлов CPU, так и графических узлов. Получено хорошее совпа ение характеристик нап ленн х сло- ев, полученн х при мо елировании, с экспериментальн ми характеристиками квар евого стекла и нанопокр тий иокси а кремния. Литература 1. Grigoriev F.V., Sulimov A.V., Kochikov I.V., Kondakova O.A., Sulimov V.B., Tikhonravov A.V. High-performance atomistic modeling of optical thin films deposited by energetic processes // In- ternational Journal of High Performance Computing Applications. 2015. Vol. 29, No. 2. P. 184 - 192. 2. Григорьев Ф.В., Кочиков И.В., Кон акова О.А., Сулимов В.Б., Тихонравов А.В. Алгоритм суперкомпьютерного мо елирования нап ления оптических нанопокр тий // В числи- тельн е мето и программирование: Нов е в числительн е технологии (Электронн й научн й журнал). 2013. Т. 14. С. 323–327. 3. Григорьев Ф.В., Сулимов В.Б., Кон акова О.А., Кочиков И.В., Тихонравов А.В. Простран- ственн е и временн е эффект при осаж ении части на тонкие пленки иокси а кремния, получаем е с использованием в сокоэнергетических про ессов нап ления // Вестник Мо- сковского университета. Серия 3. Физика, астрономия. 2013. № 3. С. 80-83. 189 Суперкомпьютерные дни в России 2015 // Russian Supercomputing Days 2015 // RussianSCDays.org Using of Lammps and Gromacs software packages for high- performance deposition simulation of nano-structured thin films A.N. Sharov, A.A. Gorokh, M.Y. Kozmin, A.V. Sulimov, D.V. Lukyanenko and S.A. Sharapova The paper presents an approach to molecular modeling of modern high-energy deposition processes of optical coatings of silicon dioxide and its implementation using the supercomputer "Lomonosov" and the software packages for molecular dynamics Lammps and Gromacs. In result layer were obtained with a thickness to a few tens of nano meters containing over one million atoms. The various structural characteristics of the resulting layer were calculated, such as density, radial distribution function, the number of point defects and other. Two models of deposition were considered using the same original force field. A comparison of the results for these two models as well as a comparison of the effectiveness of mentioned software packages in multiprocessor mode (both CPU and GPU) were performed. A good agreement of deposited layers characteristics obtained by the simulations to the experimental characteristics of quartz glass and nano silica was demonstrated.