L’image que vous avez téléchargée est un fichier relocalisable et renommable, qu’il est recommandé de placer dans un répertoire dédié pour facilement la retrouver ; celui-ci peut-être quelconque, et dans le cadre de ce tutoriel nous assumerons que vous l’avez placée dans un répertoire nommé $HOME/apptainer-images :

mkdir -p $HOME/apptainer-images
mv lammps.sif $HOME/apptainer-images/lammps.sif

Pour illustrer les différentes commandes, un jeu de fichiers d’entrée LAMMPS est disponible sous forme d’archive via ce lien. L’archive contient les fichiers nécessaires pour effectuer un calcul de dynamique moléculaire pour un système hybride Silicium/Carbone dont les interactions entre atomes sont modélisées par un potentiel de type Modified embedded atom method (MEAM). Les fichiers sont les suivants :

• data.meam est un fichier contenant les positions des atomes de Silicium et de Carbone ainsi que la définition de la boîte de simulation.
• in.file est le script d’entrée principal de LAMMPS. Il définit les variables requises par LAMMPS et donne les instructions nécessaires pour effectuer un calcul de dynamique moléculaire.
• library.meam est un fichier de paramètres génériques utilisé par le potentiel MEAM pour représenter les interactions par défaut entre une large variété d’éléments chimiques.
• SiC.meam est également un fichier définissant les paramètres des interactions MEAM ; contrairement au fichier précédent, il définit spécifiquement les interactions entre atomes de Silicium et de Carbone.

Dans ce tutoriel, on supposera que les fichiers d’entrée contenus dans cette archive sont dans le répertoire courant :

tar -xzf DIAMOND-tutorial.tar.gz # Extrait le contenu de l'archive, créée ./tutorial
cd ./tutorial

Commande en une ligne

Pour les personnes pressées, voici comment lancer un calcul LAMMPS parallèle en utilisant l’image de conteneur (téléchargée au préalable et située à $HOME/apptainer-images/lammps.sif). Dans le cas où le répertoire courant contient les fichiers d’entrée nécessaires pour LAMMPS :

apptainer exec $HOME/apptainer-images/lammps.sif mpirun -np <N> lmp_mpi -in <input.lammps>

Détail d’utilisation du conteneur LAMMPS

Cette section présente les différentes manières d’utiliser l’image LAMMPS. Pour plus de détails sur les commandes Apptainer, veuillez vous référer à ce tutoriel.

Utiliser le conteneur LAMMPS en séquentiel

Pour exécuter LAMMPS en séquentiel (c’est-à-dire sans parallélisation) sans conteneur, on utiliserait la commande :

lmp_mpi -in in.file

où tous les fichiers d’entrée LAMMPS (dont in.file le fichier d’entrée principal) sont stockés dans le répertoire courant.

Pour effectuer la même chose dans un conteneur, on peut exécuter trois commandes équivalentes. Dans chacun des exemples suivants, on suppose que l’image Apptainer lammps.sif est stockée sous $HOME/apptainer-images/lammps.sif.

• On peut utiliser apptainer exec qui permet d’exécuter une commande spécifique dans le conteneur.

apptainer exec $HOME/apptainer-images/lammps.sif lmp_mpi -in in.file

• On peut utiliser apptainer run qui appelle la commande par défaut du conteneur, à savoir l’exécutable lmp_mpi, en lui spécifiant à la suite les instructions permettant à LAMMPS de localiser le fichier d’entrée.

apptainer run $HOME/apptainer-images/lammps.sif -in in.file # "lmp_mpi" est implicitement appelé par "run"

• On peut enfin appeler directement l’image comme un exécutable, ce qui est strictement identique à l’utilisation de apptainer run.

$HOME/apptainer-images/lammps.sif -in in.file

Utiliser le conteneur LAMMPS en parallèle

L’image lammps.sif embarque une version de LAMMPS supportant la parallélisation via OpenMP et MPI.

Dans le cas où aucune conteneurisation ne serait utilisée, la commande typique ressemblerait à :

OMP_NUM_THREADS=2 mpirun -np 4 lmp_mpi -in in.file

En utilisant ce conteneur, la même commande devient :

apptainer exec --env OMP_NUM_THREADS=2 $HOME/apptainer-images/lammps.sif mpirun -np 4 lmp_mpi -in in.file

Remarque

Si rien n’est précisé, LAMMPS utilise par défaut un seul thread OpenMP ($OMP_NUM_THREADS=1) et répartit les processus MPI sur l’intégralité des cœurs disponibles.

Dans la commande précédente, on utilise la commande mpirun fournie par la version d’OpenMPI embarquée dans le conteneur pour communiquer directement avec le matériel de la machine hôte. Cette utilisation embarquée présente un avantage majeur, puisque l’on utilise uniquement les outils installés dans le conteneur : elle fonctionne sur toutes les machines hôtes sans requérir d’installation. Néanmoins, la version d’OpenMPI présente au sein du conteneur n’est pas construite pour tourner de manière optimale sour toutes les machines hôtes, mais pour fourninr des performances satisfaisantes sur une gamme de machine aussi large que possible. Typiquement, dans le cas de Quantum Espresso, on observe que l’utilisation du processeur plafonne entre 85 et 90% en parallélisation embarquée. Par ailleurs, ce mode de parallélisation ne permet pas non plus d’effectuer du calcul distribué sur plusieurs nœuds de calcul. Si une facilité de portage au prix de performances légèrement dégradées peuvent convenir pour effectuer de simples essais sur une machine locale, ce n’est pas le cas sur une infrastructure de calcul haute performance.

Dans le cas où les performances numériques sont centrales, il est recommandé d’utiliser un mode de parallélisation hybride, où l’on utilise la version d’OpenMPI de la machine hôte comme intermédiaire entre celle du conteneur et la matériel de la machine hôte. Pour plus de détails, veuillez consulter la page dédiée.

Afficher l’aide

Pour afficher le message d’aide du conteneur (on suppose l’image stockée sous $HOME/apptainer-images/lammps.sif) :

apptainer run-help $HOME/apptainer-images/lammps.sif

Pour afficher les méta-données du conteneur (propriétaire du code, version, auteur de l’image, …) :

apptainer inspect $HOME/apptainer-images/lammps.sif

Pour lancer la commande d’aide spécifique à l’exécutable LAMMPS du conteneur (lmp_mpi) :

apptainer exec $HOME/apptainer-images/lammps.sif lmp_mpi -h

ou

apptainer run $HOME/apptainer-images/lammps.sif -h

ou

$HOME/apptainer-images/lammps.sif -h

Isolation partielle ou isolation totale

Par défaut, Apptainer n’isole pas totalement le conteneur du système de la machine hôte ; pour une isolation partielle ou totale, il faut utiliser respectivement les flags --no-mount ou --no-home et --contain-all (voir ce lien pour plus d’informations).

Dans le cas où l’option --containall est activée, le répertoire contenant les fichiers d’entrée de LAMMPS n’est pas accessible dans le conteneur !

apptainer run --containall $HOME/apptainer-images/lammps.sif -in in.file # in.file non trouvé !

Il faut alors monter manuellement le répertoire courant ($PWD) avec le flag --bind au répertoire où l’on se trouve par défaut dans le conteneur ($HOME). Par exemple :

apptainer run --containall --bind $PWD:$HOME \ # On monte le répertoire courant au $HOME du conteneur.
  $HOME/apptainer-images/lammps.sif -in in.file

dans le cas où les fichiers d’entrée de LAMMPS se situent dans le répertoire courant ($PWD).

Potentiels interatomiques

Dans LAMMPS, les interactions entre atomes sont modéilisées par des champs de force (ou potentiels interatomiques) dont les paramètres sont spécifiés au sein de fichiers formattés. Le type d’interaction à appliquer (càd. le type de fichier à rechercher) dans chaque cas est explicité au sein du fichier d’entrée principal de LAMMPS.

Par exemple dans notre cas, le fichier d’entrée in.file précise à LAMMPS qu’il doit modéliser les interactions Silicium/Carbone grâce aux paramètres contenus dans SiC.meam.

À l’exécution le code cherche les fichiers décrivant les interactions dans l’ordre suivant :

• Tout d’abord, il cherche un fichier de potentiel correspondant (localisation, type de potentiel, nom, …) à celui spécifié dans le fichier d’entrée principal (in.file).
• Si rien n’est trouvé au chemin indiqué dans le fichier d’entrée principal (in.file), par exemple si on a malencontreusement renomé le fichier

mv SiC.meam old.meam # renommage malencontreux

alors le code cherche dans le répertoire désigné par la variable d’environnement $LAMMPS_POTENTIALS.

Dans le cas de cette image de conteneur, cette variable $LAMMPS_POTENTIALS pointe au sein du conteneur vers le chemin /usr/share/lammps/potentials. Ce répertoire contient les fichiers de potentiel fournis par défaut avec la version du code présente dans le conteneur.

Dans le cas (peu fréquent) où l’on dispose d’un autre jeu de potentiels que l’on veut utiliser par défaut (dans $HOME/Documents/softs/lammps/potentials/ par exemple), il est toutefois possible d’altérer ce comportement de deux manières :

• On peut d’une part écraser le contenu de /usr/share/lammps/potentials en montant un autre répertoire de la machine hôte sur ce chemin (via --bind). Dans ce cas, $LAMMPS_POTENTIALS pointe toujours sur /usr/share/lammps/potentials mais le contenu de ce répertoire est écrasé.

# On écrase le contenu de /usr/share/lammps/potentials dans le conteneur.
apptainer run --bind $HOME/Documents/softs/lammps/potentials/:/usr/share/lammps/potentials \
  $HOME/apptainer-images/lammps.sif -in in.file

• On peut aussi redéfinir la variable $LAMMPS_POTENTIALS (avec --env) pour qu’elle pointe vers un autre répertoire de la machine hôte. Dans ce cas $LAMMPS_POTENTIALS est modifiée et le code cherche les potentiels dans le nouveau chemin qu’on a indiqué.

# Si aucune option d'isolation n'est précisée, $HOME/Documents/softs/lammps/potentials/
# est accessible dans le conteneur.
apptainer run --env LAMMPS_POTENTIALS=$HOME/Documents/softs/lammps/potentials/ \
  $HOME/apptainer-images/lammps.sif -in in.file

• Attention cependant à bien s’assurer que ce nouveau répertoire est également accessible dans le conteneur. Par exemple :

# Par défaut, /opt/lammps-potentials n'est pas partagée entre l'hôte et le conteneur.
# Il faut donc monter ce répertoire avec --bind.
apptainer run --env LAMMPS_POTENTIALS=/opt/lammps-potentials \ # redéfinition de $LAMMPS_POTENTIALS
  --bind /opt/lammps-potentials:/opt/lammps-potentials       \ # montage du répertoire dans le conteneur
  $HOME/apptainer-images/lammps.sif -in in.file

Exercices

Exercice 1

Comment utiliser l’image de conteneur pour effectuer un calcul LAMMPS en séquentiel ?

Données

• L’image est située au chemin suivant : $HOME/apptainer-images/lammps.sif
• Les fichiers d’entrée (dont le fichier d’entrée principal nommé in.file) sont situés dans le répertoire courant : $PWD

Réponses possibles :

• apptainer run $HOME/apptainer-images/lammps.sif -in in.file
• ou apptainer exec $HOME/apptainer-images/lammps.sif lmp_mpi -in in.file
• ou $HOME/apptainer-images/lammps.sif -in in.file
• ou

apptainer exec \
  --env OMP_NUM_THREADS=1 \
  $HOME/apptainer-images/lammps.sif \
  mpirun -np 1 lmp_mpi -in in.file

Exercice 2

Comment utiliser l’image de conteneur pour effectuer un calcul LAMMPS (1 thread OpenMP et 16 cœurs MPI) ?

Données

• L’image est située au chemin suivant : $HOME/apptainer-images/lammps.sif
• Les fichiers d’entrée (dont le fichier d’entrée principal nommé in.file) sont situés dans le répertoire courant : $PWD

Exemple de réponse possible :

apptainer exec \
  $HOME/apptainer-images/lammps.sif \
  mpirun -np 16 lmp_mpi -in in.file

où l’option --env OMP_NUM_THREADS=1 est implicite et que le conteneur utilise par défaut.

Exercice 3

Comment utiliser l’image de conteneur pour effectuer un calcul LAMMPS (2 threads OpenMP et 8 cœurs MPI) complètement isolé du système hôte ?

Données

• L’image est située au chemin suivant : $HOME/apptainer-images/lammps.sif
• Les fichiers d’entrée (dont le fichier d’entrée principal nommé in.file) sont situés au chemin suivant : $HOME/lammps-examples/exercice/

Exemple de réponse possible

apptainer exec \
  --containall \
  --env OMP_NUM_THREADS=2 \
  --bind $HOME/lammps-examples/exercice/=$HOME \
  $HOME/apptainer-images/lammps.sif \
  mpirun -np 8 lmp_mpi -in in.file