GROMACS 检查点续算与状态精度

本篇解决一个常见问题：作业到时限了，怎样接着算，并确认接上的是原来的动力学状态？先保留原目录及输出，再使用 CPT 续算。GRO 适合查看结构、传递结构和建模，不适合代替检查点。

1. 先准备水盒，再得到同一个生产起点#

在已经分配的单 GPU 任务环境中，资料包的准备命令是：

bash prepare.sh

脚本依次执行 gmx solvate、能量最小化、5 ps NVT，然后从平衡末态的 eq.gro 和 eq.cpt 生成生产 TPR。实际水盒边长 2.5 nm，510 个水分子、1530 个原子。初始构建的主要命令为：

gmx solvate -cs spc216.gro -box 2.5 2.5 2.5 \
  -o start.gro -p topol.top
gmx grompp -f em.mdp -c start.gro -p topol.top -o em.tpr
gmx mdrun -deffnm em -ntmpi 1 -ntomp 2 -nb cpu -pme cpu
gmx grompp -f eq.mdp -c em.gro -p topol.top -o eq.tpr
gmx mdrun -deffnm eq -ntmpi 1 -ntomp 2 -nb gpu -pme gpu
gmx grompp -f md.mdp -c eq.gro -t eq.cpt \
  -p topol.top -o full.tpr
gmx convert-tpr -s full.tpr -nsteps 5000 -o short.tpr

下载包的脚本还显式固定更新、键合计算和绑核方式，完整实际命令见 prepare_case.py。拓扑内容为：

#include "oplsaa.ff/forcefield.itp"
#include "oplsaa.ff/spce.itp"
[ system ]
SPC/E water checkpoint and layout example
[ molecules ]
SOL 510

这里刻意使用短时 NVE 作为续算对照：没有恒温/恒压器的额外状态，方便定位差异。并不代表一般生产计算都应采用本篇截断、时长和 NVE 设置。5 ps 平衡和 20 ps 轨迹不足以证明水的热力学或输运性质收敛；这里仅演示状态衔接与数值路径。

integrator = md
dt = 0.002
nsteps = 10000
continuation = yes
tcoupl = no
pcoupl = no
gen-vel = no
comm-mode = Linear
nstcomm = 100
nstenergy = 100
nstcalcenergy = 100
nstlog = 1000
nstxout = 100
nstvout = 100
nstfout = 0
nstxout-compressed = 100
compressed-x-precision = 1000
cutoff-scheme = Verlet
nstlist = 20
verlet-buffer-tolerance = -1
rlist = 1.0
coulombtype = PME
rcoulomb = 0.8
vdwtype = Cut-off
vdw-modifier = Potential-shift
rvdw = 0.8
DispCorr = no
fourierspacing = 0.12
pme-order = 4
pbc = xyz
constraints = h-bonds
constraint-algorithm = lincs
lincs-order = 4
lincs-iter = 1

dt=0.002 单位是 ps，即 2 fs；10000 步为 20 ps。continuation=yes、gen-vel=no 保留原速度并避免重新施加初始约束。comm-mode=Linear 每 100 步去除整体平动。TRR 每 100 步写坐标和速度，XTC 同步写压缩坐标。Verlet 列表半径 1.0 nm、固定更新间隔是本组对照的控制条件；正式体系要重新检查截断、缓冲和能量漂移。

integrator = md
dt = 0.002
nsteps = 2500
continuation = no
tcoupl = v-rescale
tc-grps = System
tau-t = 0.1
ref-t = 300
pcoupl = no
gen-vel = yes
gen-temp = 300
gen-seed = 2612101
ld-seed = 2612102
comm-mode = Linear
nstcomm = 100
nstenergy = 100
nstlog = 1000
nstxout = 0
nstvout = 0
nstfout = 0
nstxout-compressed = 0
cutoff-scheme = Verlet
nstlist = 20
verlet-buffer-tolerance = -1
rlist = 1.0
coulombtype = PME
rcoulomb = 0.8
vdwtype = Cut-off
vdw-modifier = Potential-shift
rvdw = 0.8
DispCorr = no
fourierspacing = 0.12
pme-order = 4
pbc = xyz
constraints = h-bonds
constraint-algorithm = lincs
lincs-order = 4
lincs-iter = 1

2. 连续 20 ps 与 10＋10 ps 怎么运行#

资料包在独立目录保存所有分支。在分配好的任务里运行：

bash run.sh cpu-seed
bash run.sh cpu-full
bash run.sh cpu-append

cpu-seed 跑到 10 ps，cpu-full 连续跑到 20 ps，cpu-append 复制种子输出并用完整 TPR 续到 20 ps，原种子目录保留。CPU 对照使用同一可执行程序、相同线程数、-reprod、固定 PME 配置。实际追加的核心命令是：

gmx mdrun -deffnm md -cpi checkpoint10.cpt -append \
  -ntmpi 1 -ntomp 1 -nb cpu -pme cpu -reprod \
  -bonded cpu -update cpu -pin off -notunepme

md.tpr 已替换为 20 ps 的 TPR；checkpoint10.cpt 是独立保留的 10 ps 检查点。对于自己的原目录，延长总时长更直接：

cp md.cpt checkpoint-backup.cpt
gmx convert-tpr -s md.tpr -extend 10 -o extended.tpr
gmx mdrun -s extended.tpr -deffnm md -cpi md.cpt -append

最后一条仍须放在正常任务脚本中，并沿用原任务资源和加速选项。-extend 10 是增加 10 ps，不是把终点设置为 10 ps；也可以用 -until 指定最终时间。

3. 怎样确认续上了#

gmx dump -cp work/cpu-seed/md.cpt | head -35
gmx dump -cp work/cpu-append/md.cpt | head -35
gmx check -f work/cpu-append/md.trr

本例种子 step=5000, t=10，续算末态 step=10000, t=20，原子数都是 1530。追加后的 TRR 有 101 帧，时间 0–20 ps、间隔 0.2 ps。

独立读取原始 TRR 后，CPU 连续运行与追加续算的每一帧坐标、速度均完全相同。这个结论只属于本次固定 CPU 条件；改变线程数、MPI 规约、二进制程序、硬件或使用 GPU，不能要求逐位一致。

4. 为什么不要拿 GRO 代替 CPT#

资料包保留 cpu-gro-restart 作为精度对照：将 10 ps 的 GRO 作为新 TPR 输入，设置 init-step=5000、nsteps=5000，没有传入 -t checkpoint10.cpt。这是一条新的动力学轨迹，时间标签衔接并不等于状态精确衔接。

GRO 通常只保存小数点后三位 nm 坐标、四位 nm/ps 速度。本例首次状态相对检查点的坐标差不超过约 0.0005 nm、速度差约 0.00005 nm/ps，随后随动力学放大。由于 continuation=yes 跳过初始约束投影，四舍五入后的首帧 O–H 长度还会偏离刚性几何约 0.0014 nm；后续 SETTLE 步才重新满足刚性约束。

不要用重新生成速度来“修复续算”。CPT 还保存积分器、耦合器、能量历史等状态，GRO 不包含这些信息。保存检查点的同时也保留旧输出，才能继续安全追加。

TRR 中本例 leapfrog 积分器的速度为半步速度；不要直接拿一帧 TRR 速度计算的动能去要求等于原生 EDR 的整步动能。资料包用 EDR 的势能、动能、总能量和温度互相核对，同时独立比较相同时间的 TRR 状态。

官方说明：长任务、检查点与可复现性。

下载完整输入、实际检查点/轨迹、CSV和绘图脚本。资料包是本专题自己的 510 分子 SPC/E 水盒；与旧篇 884 分子 TIP3P 水盒不是同一个体系，不要互相混用 TPR、CPT 或拓扑。

解压进入资料包目录，先查看已经完成的结果：

bash analyze.sh

参考图片在 reference/figures，数据表在 reference/analysis。需要重新计算整套实例时，在新解压目录执行：

bash submit.sh
squeue -u "$USER"

脚本生成独立作业文件：先建模/平衡，再运行连续段和种子段；续算依赖相应种子作业成功，最后处理 work 目录。每个任务按实际秩数、线程数和 GPU 数申请资源；CPU 路径对照也申请 P100 任务资源，只让该任务的 CPU 核计算。没有覆盖既有工作目录的选项。单独复跑某个例子前，先确保前置任务已完成，且已通过调度分配足够资源。

环境为 GROMACS 2026.4，GNU 13.3、FFTW 3.3.10、CUDA 12.8，混合精度。单进程/线程版本使用 gromacs/2026.4-p100-threadmpi；真实 MPI 版本使用 gromacs/2026.4-p100-mpi-plumed，Open MPI 5.0.10，支持 GPU-aware MPI。本专题没有施加 PLUMED 偏置。CPU 路径结果由 P100 计算节点的 CPU 核获得，不是 Intel Xeon 8173M 性能测量。