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NEP Model

NEP模型最初是在GPUMD软件包中实现的 (2022b NEP4 GPUMD)。GPUMD 中训练 NEP 采用了可分离自然演化策略(separable natural evolution strategy，SNES)，由于不依赖梯度信息，实现简单。但是对于标准的监督学习任务，特别是深度学习，更适合采用基于梯度的优化算法。我们在 PWMLFF 2024.5 版本实现了 NEP 模型（NEP4，网络结构如图1所示），能够使用 PWMLFF 中基于梯度的LKF 或 ADAM 优化器做模型训练。

我们在多种体系中比较了LKF和SNES两种优化方法的训练效率，测试结果表明，LKF 优化器在对NEP模型的训练中展现了优越的训练精度和收敛速度 NEP模型的网络结构只有一个单隐藏层，具有非常快的推理速度，而引入LKF优化器则大幅提高了训练效率。用户可以在PWMLFF中以较低的训练代价获得优质的NEP并使用它进行高效的机器学习分子动力学模拟，这对于资源/预算有限的用户非常友好。

我们也实现了 NEP 模型的Lammps分子动力学接口，支持 CPU 或 GPU 设备，受益于NEP 简单的网络结构和化繁为简的feature设计，NEP 模型在 lammps 推理中具有非常快的速度。

nep_net

NEP 网络结构，不同类型的元素具有独立但结构相同的子神经网络。此外，与文献中NEP4网络结构不同的是，对于每层的bias，所有的 子网络不共享最后一层bias。此外，我们对于多体描述符采用了与两体描述符相同的 cutoff。

NEP 命令列表​

1.train 训练命令，与 DP、NN、Linear 模型相同，详细使用参考 NEP 模型训练

PWMLFF train train.json

2.python 测试接口我们提供了infer 和 test 两种命令，使用方式与 DP inference 相同。

对于 infer 命令，指定 nep 力场文件路径即可，这里支持来自 GPUMD 的 nep.txt 文件、 PWMLFF nep_model.ckpt 力场文件，以及在 lammps 中使用的 nep_to_lmps.txt 格式文件。

例如

PWMLFF infer nep_model.ckpt atom.config pwmat/config
PWMLFF infer gpumd_nep.txt 0.lammpstrj lammps/dump Hf O
# Hf O 为 lammps/dump格式的结构中的元素名称，Hf为结构中1号元素类型，O为元素中2号元素类型

在test命令的 test.json 中，同样支持上述力场格式。如果您测试的结构中原子数不超过万级，建议您使用 CPU 即可。对于 test 接口，我们使用了 cpu 多核并行加速。

PWMLFF test test.json

3.toneplmps 命令， 用于把 PWMLFF 训练的 nep_model.ckpt 文件转换为 nep_to_lmps.txt文件，用于 lammps 模拟。

PWMLFF toneplmps nep_model.ckpt

4.togpumd 命令，用于把PWMLFF 训练的nep_model.ckpt 文件转换为 nep_to_gpumd.txt 文件，可用于 GPUMD 模拟。

nep_to_lmps.txt 相比于 GPUMD 的 nep_to_gpumd.txt 区别是额外存储了不同元素各自的 last bias，因此，因此多了 Ntype−1N_{type} - 1 行值，NtypeN_{type} 为元素类型，如果只有单元素，那它们完全相同。

由于GPUMD 不同元素的网络共享最后一个 bias， 因此需要根据模拟体系做转换。我们这里的转换思路如下公式所示。

bcom=∑t=1Nbt∗Nt∑t=1NNtb_{com} = \frac{\sum_{t=1}^{N} b_t * N_t}{\sum_{t=1}^{N} N_t }

这里 NN 为元素类型数量, btb_t 为力场中元素类型 rr 对应的 bias , NtN_t 为待模拟体系中类型为 tt 的元素对应的原子数量。

# 您可以输入如下命令，查询输入参数详解
PWMLFF togpumd -h

#完整的转换参数例子如下所示，这里以HfO2体系为例，假设您要模拟一个Hf原子数目为N, O 原子数目为 M 的体系

#命令执行后您将得到一个nep_to_gpumd.txt 力场文件，可以用于GPUMD中模拟

#注意，这种方式只适用于体系中不同类型原子的数量不改变的 MD 模拟
PWMLFF togpumd -m nep_model.ckpt -t Hf O -n N M

5.topwmlff 命令，用于把文本格式的 nep.txt 力场文件转换为PWMLFF Pytorch 格式力场文件，命令完成后，您会得到一个名为 nep_from_gpumd.ckpt的 pytorch 格式力场文件。

PWMLFF topwmlff nep.txt nep.in

NEP 模型训练​

我们这里以一个HfO2的数据集为例，例子位于 [源码/example/HfO2].

输入文件设置​

训练 NEP 模型的输入文件与 Linear\NN\DP 模型输入类似。 需要准备一个输入控制 json 文件，最简单的输入设置如下所示，指定模型类型为NEP，原子类型顺序以及用于训练的 MOVEMENT 文件列表或者 pwdata 数据格式。将采用 LKF 优化器训练。这里以pwdata格式数据集为例。

{
    "model_type": "NEP",
    "atom_type": [8, 72],
    "max_neigh_num": 100,
    "datasets_path": [
      "./pwdata/init_000_50/",
      "...."
    ]
}

如果您需要使用MOVEMENT格式，那么请使用如下输入设置：

{
  "model_type": "NEP",
  "atom_type": [8, 72],
  "raw_files": [
    "./mvm_19_300/MOVEMENT",
    "..."
  ]
}

这里建议您将数据转换为pwdata格式之后再做训练。 您可以使用 pwdata转换工具，也可以使用 pwact 主动学习中提供的 to_pwdata 转换命令，如下所示。

# pwact 转换MOVEMENT 为 pwdata 格式命令
pwact to_pwdata -i mvm_init_000_50 mvm_init_001_50 mvm_init_002_50 -s pwdata -f pwmat/movement -r -m -o 0.8
# -i 结构文件列表
# -f 结构文件格式 支持pwmat/movement 或 vasp/outcar
# -s 保存的目录名称
# -r 指定将数据做乱序保存
# -m 指定合并转换后的数据，如果您的MOVMENT 文件列表元素种类相同和原子数量相同，您可以使用该参数，将训练集作为一个文件夹保存
# -o 指定训练集和测试集划分比例，默认为0.8

如果您的conda环境未安装 pwact，请使用如下命令在线安装，或者参考 pwact 手册。

pip install pwact

NEP 配置参数详解​

关于 NEP 的参数解释，请参考 NEP 参数手册

训练​

训练 NEP 模型，用户只需要在当前 train.json 所在目录执行如下命令即可。以 [源码/example/HfO2] 为例。

cd /example/HfO2
PWMLFF train train.json
# 如果您执行 sbatch train.job ，这里job文件中的环境变量需要修改为您自己的环境变量，我们提供了在mcloud上的加载以及离线安装的加载slurm脚本例子。

训练完成后的输出文件​

训练完成后，会在当前目录下生一个 model_record 目录，包含如下 4 个文件： nep_to_lmps.txt、nep_model.ckpt、epoch_valid.dat、epoch_train.dat

nep_model.ckpt为训练结束后的PWMLFF格式力场文件，nep_to_lmps.txt为该力场文件的 lammps 版本

epoch_valid.dat、epoch_train.dat 为训练过程中的 loss 记录文件

Python inference​

使用方式与 DP 中的 Python inference 完全相同，您只需要修改力场文件为 NEP 力场文件即可。

NEP for Lammps​

我们提供了 NEP 的 Lammps 接口，支持 CPU（单核或多核）、GPU（单卡或多卡）下的模拟。 您可以参考 lammps 目录下的 examples/nep_lmps/hfo2_lmps_96atoms 案例。此外，我们的 Lammps 接口也支持从 GPUMD 训练的 NEP4 模型，使用方式与PWMLFF中相同。

输入文件设置​

将训练完成后生成的nep_model.ckpt力场文件用于 lammps 模拟，您需要：

step1 提取力场文件，您只需要输入如下命令​

PWMLFF toneplmps nep_model.ckpt

转换成功之后，您将得到一个力场文件nep_to_lmps.txt。如果您的模型正常训练结束，在nep_model.ckpt同级目录下会存在一个已经转换的 nep_to_lmps.txt 文件，您可以直接用于lammps。

step2 lammps 输入文件设置​

nep 的lammps 接口使用方式与 DP lammps 接口 完全相同，您只需要替换力场为 nep 力场即可，lammps 的输入文件示例如下：

pair_style   pwmlff   1 nep_to_lmps.txt 
pair_coeff       * * 8 72

为了更灵活的使用，我们允许您的力场中的原子类型顺序与lammps的输入结构类型顺序不同。为此，您需要在 pair_coeff 这里指定模拟结构中的原子类型对应的原子序号。例如，如果您的结构中 1 为 O 元素，2 为 Hf 元素，您设置 pair_coeff * * 8 72即可。

您也可以将 nep_to_lmps.txt 文件替换为您的 GPUMD 训练得到的 NEP4 力场文件。

step3 启动lammps模拟​

如果您需要使用 CPU 设备做lammps 模拟，请输入如下指令，这里 64 为您需要使用的 CPU 核数，请根据自己的设备设置。

mpirun -np 64 lmp_mpi -in in.lammps

我们也提供了GPU 版本的 lammps接口，请输入如下指令。

mpirun -np 4 lmp_mpi_gpu -in in.lammps

这里 4 为需要使用的 CPU 核数。我们会根据使用的 GPU 数量（例如 4 个），将 线程平均分配到这 4 个 GPU 上做计算。我们建议您使用的 CPU 核数与您设置的 GPU 数量相同，多个线程在单个 GPU 上会由于资源竞争导致运行速度降低。

关于lammps环境变量​

为了运行lammps，您需要导入如下环境变量，包括您的PWMLFF 路径以及lammps 路径

# 导入 cuda
module load cuda/11.8 intel/2020

# 导入您的conda 环境变量
source /the/path/anaconda3/etc/profile.d/conda.sh
conda activate torch2_feat

# 导入您的PWMLFF 环境变量
export PATH=/the/path/codespace/PWMLFF_nep/src/bin:$PATH
export PYTHONPATH=/the/path/codespace/PWMLFF_nep/src/:$PYTHONPATH

# 导入您的lammps 环境变量
export PATH=/the/path/codespace/lammps_nep/src:$PATH
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:$(python3 -c "import torch; print(torch.__path__[0])")/lib:$(dirname $(dirname $(which python3)))/lib:$(dirname $(dirname $(which PWMLFF)))/op/build/lib

关于NEP 模型的测试结果​

LKF优化器更适用于NEP模型​

我们对多种体系进行了测试，所有测试中将数据集的80%作为训练集，20%作为验证集。我们在公开的HfO2训练集（包含𝑃21/c、Pbca、𝑃ca21和𝑃42/nmc相的2200个结构）上对NEP模型分别在LKF和演化算法（SNES, GPUMD）训练，它们在验证集上的误差下降如下图2中所示。随着训练epoch增加，基于LKF的NEP模型相比于SNES，可以更快收敛到更低误差（误差越低精度越高）。在铝的体系下（包括3984个结构）也有相似结果（图3）。此外，我们在LiGePS体系以及五元合金体系中也有类似结果，更详细数据请参考已上传的训练和测试数据。

hfo2_lkf_snes_energy
hfo2_lkf_snes_force

HfO2体系（2200个结构）下，NEP模型在LKF和SNES优化器下的能量（左图）和力（右图）收敛情况。图中虚线为SNES算法训练能够达到的最低loss水平。

al_lkf_snes_energy
al_lkf_snes_force

Al体系（3984个结构）下，NEP模型在LKF和SNES优化器下的能量（左图）和力（右图）收敛情况。图中虚线为SNES算法训练能够达到的最低loss水平。

PWMLFF中NEP模型与深度势能模型的精度对比​

深度势能（deep potential, DP）模型是目前广泛使用的一种神经网络模型，PWMLFF中实现了Pytorch版本的DP模型，该DP模型也可以使用LKF优化器。我们在多个体系下，使用LKF优化器对NEP模型和DP（PWMLFF）模型训练做了对比，结果如下图4中所示。在Al、HfO2、LiGePS（包含1万个结构）、[Ru、Rh、Ir、Pd、Ni]五元合金体系（包含9486个结构）下，PWMLFF中的NEP模型比DP模型收敛都更快，精度也更高。特别的，对于五元合金，我们采用type embedding DP以减少元素种类对训练速度的影响（在之前的测试中，我们发现，对五种以上的元素的情况，在PWMLFF的DP训练中引入type embedding可以获得比普通DP更高的精度）。

al1
hfo2

Alloy
LiGePS

NEP和DP模型在LKF优化器下训练误差收敛情况

测试数据​

测试数据与模型已经上传, 您可以访问我们的 百度云网盘下载 https://pan.baidu.com/s/1beFMBU1IehmNEpIQ9B8ybg?pwd=pwmt ， 或者我们的开源数据集仓库。

关于lammps 接口的测试结果​

下图展示了 NEP 模型的 lammps CPU 和 GPU 接口在 3090*4 机器上做 NPT 系综 MD 模拟的速度。对于CPU 接口，速度正比与原子规模和CPU核数；对于GPU 接口, 速度正比与原子规模和GPU数量。

根据测试结果，我们建议如果您需要模拟的体系规模在 10310^3 量级以下，建议您使用 CPU 接口即可。另外使用 GPU 接口时，建议您使用的 CPU 核数与 GPU 卡数相同。

nep_net