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SupraMD Release Notes v2026.01

· 6 min read

版本：v2026.01

概述​

本版本是 SupraMD 分子动力学模拟软件自 v0.4.0 以来的一次重大更新。项目经历了从 CrystalMD → MISA-MD → SupraMD 的名称演进，并在计算能力、势函数支持、GPU 加速、系综方法、数据结构等方面实现了全面升级。

主要新功能​

1. GPU/HIP 加速计算​

  • EAM 势能 GPU 计算：支持在 HIP (AMD GPU/DCU) 平台上进行 EAM 势能计算，包括电子密度 (rho)、嵌入能 (df) 和力的计算。
  • 多种 GPU 内核策略：提供 thread-atom、block-atom、wavefront-atom 三种内核策略，适配不同计算场景。
  • 双缓冲机制 (Double Buffer)：实现 GPU 计算与 MPI 通信的重叠，提升整体效率。
  • Verlet 邻居列表 GPU 构建：支持在 GPU 端构建 Verlet 邻居列表。
  • Newton 第三定律 GPU 支持：在 GPU 端支持开启/关闭 Newton 第三定律。
  • CLI 选项 --acc-gpu：通过命令行参数启用 GPU 加速。
  • CLI 选项 --acc-nei：控制是否在 GPU 上构建邻居列表。

2. Verlet-List 数据结构​

  • 新增 Verlet 邻居列表数据结构，作为原有 hash-based 数据结构的替代方案。
  • 支持基于 Verlet-list 的 EAM 势能计算。
  • 支持 Verlet-list 的 ghost 原子通信和 out-of-box 通信。
  • 支持通过 CMake 选项在 hash-based 和 verlet-list 之间切换。
  • 支持 SoA (Structure of Arrays) 内存布局下的 Verlet-list。

3. 机器学习势函数 (MLIP/MTP)​

  • 集成 MLIP-2 和 MLIP-3 机器学习原子间势。
  • 支持基于 Verlet-list 的 MLIP 势能计算。
  • 支持 MTP (Moment Tensor Potential) GPU 加速（通过 --acc-gpu 启用）。
  • 支持将 MLIP 势能输出到标准热力学日志。
  • 通过 CMake 选项 MD_FEATURE_POT_MLIP2_ENABLE_FLAG 控制是否启用。

4. 系综方法​

  • Nose-Hoover NVT 系综：实现 Nose-Hoover 恒温算法。
  • MTK NPT 系综：实现基于 Martyna-Tobias-Klein 方法的 NPT 系综控制。
    • 支持 Nose-Hoover Chains。
    • 支持 Suzuki-Yoshida 多步积分。
    • 对称算子分裂用于速度和体积更新。
  • 分阶段系综设置：支持在模拟的不同 stage 中使用不同的系综方法。

5. 多原子类型与晶格支持​

  • 支持 多原子类型模拟（如 Fe-Cu-Ni 合金）。
  • 新增 FCC 和 HCP 晶格创建支持（通过 lattice.style 配置）。
  • 支持 3D 晶格常数（非等轴晶格）。
  • 支持通过配置文件设置晶格原矢 (primitive vectors)。

6. KMC（动力学蒙特卡洛）模拟​

  • 新增 KMC 模拟模块，支持串行 KMC 和多线程搜索。
  • 独立的 KMC 配置文件解析。
  • 独立的 KMC 可执行文件 (misa-akmc / super_akmc)。
  • 通过 CMake 选项 MD_COMPONENT_KMC 控制是否编译 KMC 组件。

7. 模拟 API​

  • 提供 MD 模拟 API，允许外部程序调用 MD 模拟功能。
  • 附带弛豫 (relax) 示例演示 API 使用方法。

8. 配置系统全面升级​

  • 配置文件从 TOML 格式迁移到 YAML 格式 (config.yaml)。
  • 支持分阶段 (stages) 配置，每个 stage 可设置不同的系综、步长等。
  • 支持可变步长 (variable step length)。
  • 支持温度重标度 (rescale) 配置。
  • 支持从配置文件解析势能类型和格式。
  • 支持 del_atoms（删除指定区域原子）配置。
  • 支持 read_phase（从二进制文件读取原子数据）配置。
  • 支持 velocity 阶段动作（为指定区域原子设置速度）。

9. 输出系统增强​

  • Dump 格式输出：支持以 .dump 格式输出原子数据。
  • 按帧输出 (by frame)：支持按帧模式输出。
  • 自定义输出字段：通过 dump presets 的 with 字段选择输出内容（位置、速度、力等）。
  • 区域输出：通过 region 字段输出指定区域的原子。
  • 热力学输出：
    • 支持输出到 CSV/YAML 文件。
    • 支持输出系统总能量 (PE + KE)。
    • 支持输出体积和盒子尺寸 (Lx, Ly, Lz)。
    • 支持输出压强和维里 (virial)。
  • 二进制格式输出：新版二进制格式支持自定义字段。
  • MPI-IO 合并输出：使用 MPI-IO 将多进程输出合并为单一文件。

10. 项目重命名与升级​

  • 项目从 CrystalMD 更名为 MISA-MD，最终更名为 SupraMD。
  • 可执行文件使用 supra 前缀（supramd、super_akmc），同时保留 misamd/misa-akmc 兼容链接。
  • 宏定义前缀从 CRYSTALMD/CRYSTAL 更改为 MISA_MD/MISA。

次要新功能与改进​

模拟功能​

  • 支持从 .dump 格式文件初始化系统。
  • 支持从二进制文件读取原子数据 (read_phase)。
  • 支持模拟过程中更新原子数量。
  • 支持将模拟移动到指定步数。
  • 支持在指定区域删除原子。
  • 支持运行时力检查（避免过大的力）。
  • 支持设置零动量。
  • 碰撞 (collision) 中 PKA 单位改为 eV。

随机数生成器​

  • 新增多种随机数生成器：LCG、Mersenne Twister、STC、Xoshiro、Legacy。
  • 自动模式下记录随机种子。

日志与诊断​

  • 支持日志输出到文件。
  • 支持彩色日志（自动检测终端）。
  • 模拟性能日志（每个 stage 的性能统计）。
  • --version 输出 Git 信息和编译特性。

构建系统​

  • 支持 AoS/SoA 内存布局的 CMake 选项。
  • 新增 CMake Presets（host 和 HIP 构建）。
  • 支持天河三号 (TianHe-3) 环境。
  • 支持神威 (Sunway) 太湖之光超算。
  • 改进 Fortran 库链接（兼容 flang）。
  • 生成文件移至 ${CMAKE_BINARY_DIR}/generated 目录。
  • CMake 选项统一添加 MD_ 前缀。

依赖更新​

  • libcomm：升级至 v0.7.0+（支持多晶格常数、内部节点 MPI rank 映射）。
  • kiwi：升级至 v0.5.1。
  • googletest：升级至 1.12.0。
  • yaml-cpp：升级至 0.7.0。
  • potential lib：升级至 v0.3.0。
  • 新增 hip-potential 可选包。

性能优化​

  • 使用 memset 清零 SoA 布局下的力和 EAM 数组。
  • 为间隙原子添加 HashTable 以降低搜索时间复杂度。
  • 改进 Verlet-list 邻居列表构建性能。
  • 使用 LDS (Local Data Share) 存储邻居偏移索引。
  • 邻居偏移排序以优化 GPU 内核中的内存访问模式。

重要修复​

  • 修复 Verlet-list 邻居构建中不正确的邻居单元访问。
  • 修复 EAM 计算中 Newton 第三定律开启时的重索引遗漏。
  • 修复 NPT 中压强传递错误（仅传递维里部分）。
  • 修复 MLIP 中 Newton 第三定律使用不正确导致的势能错误。
  • 修复 MPI-IO 输出中原子数据对齐问题。
  • 修复多个内存泄漏和段错误问题。
  • 修复 ghost 原子通信中的多种边界情况。

破坏性变更 (Breaking Changes)​

变更说明
配置文件格式从 TOML 迁移到 YAML
CMake 选项前缀所有选项添加 MD_ 前缀
creation.create_t_set已移除，使用 rescale 替代
架构 API${ARCH_NAME}_accelerate_init → ${ARCH_NAME}_domain_init
可执行文件名更名为 supramd / super_akmc
cutoff_radius_factor重命名为 cutoff_radius

平台支持​

平台状态
x86_64 CPU (MPI)✅ 完整支持
AMD GPU / DCU (HIP)✅ EAM + MLIP 加速
神威太湖之光✅ 支持
天河三号✅ 支持

升级指南​

  1. 配置文件：将原有 TOML 配置迁移为 YAML 格式，参考 example/config.yaml。
  2. CMake 选项：所有自定义 CMake 选项需添加 MD_ 前缀。
  3. 温度设置：使用 rescale 替代已移除的 creation.create_t_set。
  4. GPU 用户：使用 --acc-gpu 启用 GPU 加速，-g 指定每节点 GPU 数量。