材料科学中的高性能计算软件

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1、高性能计算应用61材料科学中的高性能计算软件胡双林上海超级计算中心上海201203slhu@ssc.net.cn摘要：高性能计算是材料科学研究的重要手段。本文介绍了高性能计算在材料科学应用中常用的软件方法和分类，并主要举例介绍了若干典型量子力学和分子力学高性能计算软件。关键字：材料科学，高性能计算，软件，量子力学，分子力学1.引言只有几个原子数的分子、团簇体系，可以使材料科学是高性能计算应用的重要领域。材料用高精度的量子化学方法。这类方法由量子力学出和人类生活，特别是能源、环境、健康、信息等各发，以波函数为处理对象，研究小分子的物理化学个方面息息相关。人们运用各种方法来研究材

2、料，性质，化学反应，势能面等，也常称为从头算（ab试图认识材料性质，开拓材料新的用途，以及改造initio）方法。常用的方法有Hartree-Fock，MP2,，CI，MCSCF等，代表软件有Gaussian[1]，molpro[2]等。发明新的材料。随着数学、物理、化学、生物等基础学科的发展，人们可以从理论出发，通过计算的这方面我国也有自主开发的软件，如南京大学黎书华教授小组的低标度量子化学软件lsqc[3]，西北大学方法，模拟和预测实验现象，从而深入理解材料性文振翼教授小组发展的使用CI方法的Xian-CI[4]，厦门质，设计新的功能材料。有时候由于实验难以实现大学吴玮教授

3、小组从价键理论出发的XMVB[5]等。或成本较高，或者材料可能对人身健康有害，这时候计算就成了唯一的研究方法。同时又由于近年来对几十个到甚至几百上千个原子的体系，人计算软硬件技术水平飞速进步，高性能计算越来越们一般使用密度泛函理论应用于高性能计算。这一多地应用于材料科学领域。理论方法通常被称为第一性原理，也是基于量子力高性能计算在材料科学中的应用除了需要有学的，但以电子密度而不是波函数为基本变量。虽计算机硬件之外，更重要的还要有优质高效的应用然目前主流的实现使用了Kohn-Sham轨道的方法，软件。这些应用软件起初通常由材料科学各科研小但还是大大降低了计算复杂度。对某一给定构型

4、，组开发，综合运用各种理论方法和编程手段，紧密这类软件可以方便计算总能量，离子受力等相关联系实验可观测量，目标是求解某种材料性质或模性质，从而优化原子坐标，自洽求电子结构等性质。这类软件的例子有vasp[6]，siesta[7]，quantum-拟实验结果。材料科学应用中的计算一般都比较耗espresso[8]等，能够计算基态几何结构，电子能带、时，因而这一类软件一方面及时跟进利用物理、数学等领域的最新研究成果，一方面又充分适应高性态密度，磁性组态，弹性常数，介电性质，声子色能计算软硬件的发展，已形成一个开发活跃，功能散，化学反应最小能量路径等多种性质。我国科学丰富，风格多样，

5、用户广泛的软件群体。家，如中国科学技术大学杨金龙教授小组在线性标度理论[9]，复旦大学徐昕教授在新的密度泛函形式[10]，北京大学蒋鸿研究员在过渡和稀土元素材料的理2.材料科学软件的基本方法和类型论方法[11]，中科院物理所戴希研究员在处理强关联材对一个现实材料的理论模拟，考虑到研究成本料的计算方法[12]等方面，也做出了各自的贡献。和时间等因素，人们可以选择不同的体系模型，相应地采用不同精度的近似，或者选用不同的应用软使用密度泛函也可与分子动力学相结合，使用件。在差不多计算量的前提下，选用什么方法与模Bohn-Oppenheimer近似，原子在电子势能面上运动型体系的尺度等因

6、素有关。（BOMD）。另外Car和Parrinello还提出了把电子波62《高性能计算发展与应用》2011年第四期总第三十七期函数作为虚拟质量和原子核运动同样处理的CPMD方3.1量子力学软件法，也得到了一些软件实现，如cpmd[13]，cp2k[14]等。这一类软件一般使用密度泛函理论，周期性另外也有和蒙特卡洛（MonteCarlo）方法相结合的软边界条件，Monkhorst-Pack方法倒空间k点取样，件，这类程序通常由各研究组自行编写，由于其理赝势方法或全电子轨道，原子轨道或平面波基组，论特点，适合并行。可以使用分布式或共享内存并行方法，大部分运行在密度泛函理论的基础上，

7、材料科学界还应用于linux/Unix系统，也有部分可运行于windows，Mac了GW方法，密度泛函微扰理论，动力学平均场方法Os等操作系统。计算对象主要有固体块材，表面，等，但这些方法计算量较大，因而研究体系尺寸相纳米管/带，分子团簇等维度从三维到零维的体系，对较小。同样基于密度泛函理论，但能以更快速度这类软件也能模拟液体，高分子等周期性不明显的计算较大体系的方法，还有使用密度泛函和紧束缚材料。比较常见的软件包有vasp，MaterialsStudio[23]，近似的DFTB方法[15]