GROMACS简介与安装
日期：2018-05-24
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简介：在分子动力学的模拟研究中，一款开源、自由、免费的软件GROMACS得到了广泛的应用。它可以用于几百万个粒子体系的分子动力学模拟研究，特别是生物体系，比如磷脂双分子层生物膜、蛋白质、药物分子等。
科技的发展已然遍布世界，对于事物的探讨尤其是对微观动力学现象的研究越来越依赖于计算机。由此，模拟技术与实验、理论三者的结合是现在以及未来被认可和推广的研究手段。分子动力学模拟不仅可以解释实验现象，验证理论结果，而且还发挥着预见性作用。其在生物、医药、材料、化学等学科领域均有广泛应用。
在分子动力学的模拟研究中，一款开源、自由、免费的软件GROMACS得到了广泛的应用。它可以用于几百万个粒子体系的分子动力学模拟研究，特别是生物体系，比如磷脂双分子层生物膜、蛋白质、药物分子等。另外，GROMACS能够非常快速地计算非键作用，因此也可用于非生物体系，如聚合物、一些有机物、无机物等。GROMACS有很多功能和优点，因此被研究者广泛学习和应用。
图1. 从左至右依次为：水通道蛋白质、含膜蛋白的磷脂膜、阿霉素分子、碳纳米管。
GROMACS的功能与优点：
1. 开源、自由、免费使用。
2. 网上资料丰富，包括从软件的下载，安装到使用。
3. 立场较全面，适用性广，可操作性强。比如针对生物体系中的磷脂分子，氨基酸，离子，水等均有相应的立场。此外根据实验结果，也可以添加相应分子的立场参数。
4. 操作简便，大大降低了模拟的难度。比如GROMACS无需脚本文件，有很多命令和输入文件，只需要设置相应的参数，即可通过简单的命令行来实现，不需要花心思编程或使用一些分析软件进行分析的难题。当出现错误时，会提示错误信息，且网站上有相关的解决办法。
5. 可以计算较大体系，并且运行速度快，计算时间灵活自由。GROMACS用标准MPI进行并行计算和分析，计算速度快，体系可以达到数百万粒子。GROMACS还可以选择GPU加速处理，使运算速度更快。并且GROMACS的算法精妙，在结束计算之后还可以延长时间继续进行计算。
6. 对输出文件采用了损耗压缩技术进行存储，便于文件的传输。
7. 输入输出文件容易获得。比如磷脂双分子层膜，蛋白质的构型文件可以在网站上直接生成或者下载，蛋白质的拓扑文件可以直接通过GROMACS自动生成。参数设置的文件网站均有提供，只需改变参数即可。
8. 随着不断的更新，GROMACS不断有新的版本出现，功能、算法、精度、计算速度均有所改善，但是输入文件和轨迹文件与硬件无关，所以可以被不同版本的GROMACS读取。
此外，GROMACS主页上有相关安装包的下载链接，有软件的相关说明文件，还可以在搜索栏搜索你想知道的，包括安装和使用过程中报错。
图2. GROMACS主页页面。
对于GROMACS初学者来说，可能会遇到LINUX系统下GROMACS的安装问题，无论安装新版本还是旧版本GROMACS，都需要进行MPI并行运算，所以在安装GROMACS之前应该安装MPI软件（比如Lam，Openmpi等）；还要进行FFTW（快速傅里叶变换数学工具包，用于计算电荷）的安装；在新版的GROMACS安装中，还需进行CMAKE软件（跨平台编译器，可产生Makefile文件）的安装。每安装完一个软件应该将相应的环境变量添加到根目录下的.bashrc文件里面。个人对于GROMACS新旧版本的安装均有所了解并实践，下面以新版GROMACS为例，安装步骤如下（建议每读完一步，再进行操作）：
1. 下载软件包：cmake-x1.x2.x3.tar.gz，fftw-x1.x2.x3.tar.gz，openmpi-x1.x2.x3.tar.gz，gromacs-x1.x2.x3.tar.gz，下载网址可以去相应软件官网下载，均为免费软件。
2. 将软件压缩包上传到服务器上某新建文件夹下（如soft），在此文件夹下解压：
tar -xvf cmake-x1.x2.x3.tar.gz
tar -xvf fftw-x1.x2.x3.tar.gz
tar -xvf openmpi-x1.x2.x3.tar.gz
tar -xvf gromacs-x1.x2.x3.tar.gz
注：中间均为一个空格，下面内容同样；以下pwd即为安装路径，如将软件安装在home/users/software/gromacs文件夹内，该路径不是上面文件夹路径，是自己选择的将软件装在哪里的路径。
3. fftw安装：
cd fftw-x1.x2.x3
./configure --prefix=/pwd/fftw-3.3.4 --enable-mpi --disable-shared
注：为了防止后面报错, 将Makefile文件里面进行以下修改：
CC = mpicc
CCAS = mpicc
CCASDEPMODE = depmode = gcc3
改为
CC = mpicc -fPIC
CCAS = mpicc
CCASDEPMODE = depmode = gcc3
然后进行：
make
make install
make disclean
./configure --prefix=/pwd/fftw-x1.x2.x3 --enable-mpi --disable-float
在根目录下的.bashrc 文件中添加环境变量：
export CPPFLAGS=”-I/pwd/fftw-x1.x2.x3/include”
export LDFLAGS=”-L/pwd/fftw-x1.x2.x3/lib”
4. cmake安装：
cd cmake-x1.x2.x3
./configure --prefix=/pwd/cmake-x1.x2.x3
gmake
gmake install
在根目录下的.bashrc 文件中添加环境变量：
export PATH=/pwd/cmake-x1.x2.x3/bin/:$PATH
5. openmpi 安装
cd openmpi-x1.x2.x3
./configure --prefix=/pwd/openmpi-x1.x2.x3
make
make install
添加openmpi的环境变量
export PATH=/pwd/openmpi-x1.x2.x3/bin:$PATH
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/pwd/openmpi-x1.x2.x3/lib
6. gromacs安装：
cd gromacs-x1.x2.x3
cmake -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/pwd/gromacs-x1.x2.x3 -DGMX_FFT_LIBRARY=fftw3 -DFFTWF_LIBRARY="/pwd/fftw-x1.x2.x3/lib/libfftw3f.so" -DFFTWF_INCLUDE_DIR="/pwd/fftw-x1.x2.x3/include/" -DCMAKE_C_COMPILER=/pwd1/gcc-x1.x2.x3/bin/gcc -DCMAKE_CXX_COMPILER=/pwd1/gcc-x1.x2.x3/bin/g++ -DGMX_MPI=on
(上述为一个整体，其中pwd1为gcc和g++的路径，可用which查找)
make
make install
添加环境变量
export PATH=/pwd/gromacs-x1.x2.x3/bin:$PATH
export LD_LIBRARY_PATH=/pwd/gromacs-x1.x2.x3/lib64:$LD_LIBRARY_PATH
安装完成，编译一下.bashrc文件，输入命令 . ~/.bashrc
测试一下gromacs能不能使用，输入命令gmx_mid，没有说找不到该命令，则是安装成功。当然gromacs不止有linux版，还有windows版，可以安装在自己电脑上，经过一系列操作得到可执行文件，再上传到服务器上进行任务提交即可。下面就可以使用啦，关于gromacs的使用请见下期。
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