量子化學GPU解決方案

 

量子化學(quantum chemistry)是理論化學的一個分支學科,是應用量子力學的基本原理和方法研究化學問題的一門基礎科學。研究范圍包括穩定和不穩定分子的結構、性能及其結構與性能之間的關系;分子與分子之間的相互作用;分子與分子之間的相互碰撞和相互反應等問題。

     量子化學自誕生的第一天起,即依賴于計算。而由于其所基于的原理(量子力學)和研究對象的復雜性,量子化學對計算能力有無休止的需求。因此計算機軟硬件的每一次進步,都能給量子化學的進展打下明顯的印記。近幾十年來,由于計算量子化學家結合計算機技術的飛躍而進行的不懈努力,使得量子化學計算飛速發展并逐漸延伸到其它領域,如納米、生物、材料,藥物領域,成為這些領域研究的不可或缺的工具。雖然計算機單個CPU運算速度的提升能一定程度上滿足量化計算的渴求,但CPU速度的提高受制于技術工藝,不能無限提升,不能滿足計算化學家的無止境需求。使用多個處理器的并行計算技術的適時出現,為量化計算跨入新的高度帶來了契機。并行計算除了對硬件設置有特殊要求外,還需在編制程序時付出額外的努力。由于計算量子化學家的辛勤勞動,至今大型主流的計算量化軟件如

GaussianQ-Chem等,都實現了程序的并行化,并有極高的效率。但高的計算速度需要許多CPU組合,這無疑提高了購置計算機硬件的成本。適時出現的GPU能大幅提高數值計算的速度,

為量化計算敲開了走入柳暗花明境地的大門。

GPUGraphical Processing Units)的設計是使得巨大數目的并行事件同時進入GPURAM,即相同操作能在GPU的內存不同部分執行。這屬于SIMD(單指令多數據, SingleInstruction Multiple Data)類型。典型的GPU包含許多分列成組的計算單元,每組共享能快速進入的內存和一個指令單位。這些高度密集的計算單元需要更大的Cache和控制單元。GPU在數值計算中表現出的優異性能與已經趨于平緩發展的CPU相比展現出了令人耳目一新的表現(見圖1)。GPU結構的本身具備進入科學計算的基本需求。




 

啟動GPU在科學計算上的真正的應用和引起極大關注的是近來NVIDIA公司推出的編程工具

CUDACompute Unified Device Architecture)。CUDA是一個類似于C的高級、直觀的編程語言,并能被C語句調用。NVIDIA公司最近還推出了ParallelNsight6,使CUDA能在MicroSoft公司的最為普及的軟件開發平臺Visual Studio上使用。這惠及了百萬級的軟件開發工作者。毫不夸張地說,CUDAGPU在科學計算上應用的飛速發展插上了翅膀。一時間諸多的與數值計算有關的科學家趨之若鶩,這很可能會完全改變明天科學計算的面貌。一開始影響GPU在科學計算上普及使用的另一障礙是早期的GPU的較低的數值精度,而隨著仍是NVIDIA公司的支持32位浮點運算精度的G80系列的GPU卡的推出和64位的GeForce 8800 GTX GPU卡的推出,用于科學計算的精度問題得到了徹底的解決。雖然在64位浮點運算精度下,運算速度會有所損失。

使用GPU的量化計算方法和程序

    量化計算的基本方法,ab initioDFT,的最主要的計算工作,是求得雙電子排斥積分(也包括DFT中的交換-相關積分的數值求取)和生成Fock矩陣以及矩陣的對角化。Yasuda第一個認識到可使用GPU來提高計算電子排斥積分(ERI)的速度。他使用GeForce 8800GTX GPU卡,發展出了使用GPU計算DFTKS矩陣的Coulomb積分的算法,但僅適用于sp基函數。這

個算法在TaxolValinomycin的小基組和LSDA DFT計算里,使用GPU計算Coulomb勢,僅需CPU常規計算時間的1/3。盡管使用的GPU僅支持單精度浮點數運算,但仍然有可以接受的精度。Yasuda的算法是在Gaussian03程序上完成的。認識到GPU對積分的計算只能包括sp基函數是遠遠不夠的。將GPU上的積分計算擴展到d及更高角量子數的基函數的困難在于目前最大的單個GPU也無法容納這些高角量子數的計算殼層。如對于一個(ff|ff)雙電子積分的殼層,在中間計算時共需要5376個浮點數,它們要做多次的乘法運算,最終需約10個浮點數。對于雙精度,這相應于123008bytes,遠遠超出了目前最大的單片GPU的容量。有人在等待著很快有更大的GPU上市,但Asadchev等另辟蹊徑,近來提出了一個使用CUDA能計算到g型基

函數的算法。他們將計算的中間結果存放在裝置的內存,而不是GPU中,并將這些殼層塊的積分重新排序,滿足這些積分的頻繁調用。這樣做帶來的問題是為了適應所有積分類型的有效排列的方式,原來在CPU下使用的大量的程序需要重寫。他們采用了由一個個模塊自動生成的方式來解決這個問題。使用GTX275 Tesla T10 GPU卡,他們與GAMESS比較了雙電子排斥積分的運算速度。CPU能達到1 GFLOPS(每秒鐘進行1 giga 浮點運算),而GPU在單精度和雙精度運算時能分別達到5025 GFLOPS。對DFTGGA中的XC(交換-相關)勢的數值計算,仍是Yasuma首先提出了在GPU上計算的算法。他采用的策略是在僅將XC的較費時的步驟交由GPU,其余仍由CPU處理。使用NVIDIAGeForce8800 GTX 卡,與2.8 GHzIntel Pentium 4相比,該步計算的加速能達到40倍。

Aspuru-Guzik等將開發基于GPU的量化算法的注意力放在了包括相關能校正的RI-MP2RI

Resolution-of-the Identity的縮寫)方法上。除了對于含過渡金屬的體系,MP2計算的平衡幾何構型優于廣為使用的DFTMP2計算中最為耗時的是原子軌道基的積分向分子軌道基的變換。這一般是體系基函數數目N5次方。引入RI積分近似可減少計算時間而又沒有明顯的精度損失。Aspuru-Guzik等分析RI-MP2計算各個步驟對計算機時間的需求,認識到RI-MP2計算中主要的時間消耗是在從半變換的三指標積分變換為分子軌道積分時的矩陣相乘。他們使用CUBLAS6的函數在GPU上執行矩陣相乘的運算(將CUBLAS的函數引入量化計算這還是首次)。據他們自己的測試,在單精度下,計算速度能達到原來使用CPU4.3倍。使用NIDIA Tesla C1060 GPU4GB的內存,他們測試了有168個原子的分Valinomycin,在單精度、混合精度和雙精度下分別能比CPU提速13.810.07.8倍,在雙精度下,誤差接近于零。他們的計算是根植于另一廣為使用的商品化量化計算程序Q-Chem

在此還應提及一個不被化學家熟悉的、使用Daubechies波,而不是Gaussian型的基函數的程序包BigDFTBigDFT 使用CUDAGPU上編程,達到了極高的并行效率,使用GPU的版本能比CPU的提速達6

TeraChem軟件包和其中的GPU計算的算法

TeraChem是由UfimtsevMartinez使用CUDA算法編寫,在GPU機器上運行的量子化學程序包,由美國PetaChem公司于今年推出商業化版本。UfimtsevMartinez提出的計算雙電子排斥積分基于McMurchie-Davidson框架,檢驗了三種分配GPU/CPU工作和處理任務分塊的模式(1B1CI1T1CI1T1PI),先進行由H原子組成的體系的(ss|ss)型積分的運算,然后推廣到包括由p函數組成的基的排斥積分。他們發現若從Gaussian基的雙電子排斥積分直接進入Fock矩陣,而不是如傳統的將Gaussian軌道基的排斥積分收縮到STO,在GPU下能有極高的效率。對于由64H組成的體系,使用6-311G和三種模式計算排斥積分,分別耗費7.0860.6750.428秒,加上用CPU的預計算的0.009GPU-CPU轉換的0.883秒,最快的1T1PI模式共需1.320秒。而使用GAMESS在單CPU下則需170.8秒。UfimtsevMartinez隨后的論文報告了完全使用GPU進行Hartree-Fock計算的方法。基于1T1PI處理雙電子排斥積分的方法,他們提出了Hartree-FockJ-矩陣和K-矩陣的在GPU下依據大小分塊處理的算法,還研究了多GPU的并行化處理:每個GPU處理自己的J-矩陣子塊,計算K-矩陣時每個GPU處理K-矩陣的不同的行。使用三個GPU卡(GTX280)做檢驗,能達到一個GPU卡的2.0-2.8的效率。他們測試了從24個原子到453個原子組成的分子的Hartree-Fock單點能量計算。使用3-21G6-31G基組以及一個GPU卡(GeForce280 GTX),在雙精度下,與GAMESS相比,速度能提高40多到600多倍。總能量的差別可忽略不計。UfimtsevMartinez的關于能量的解析梯度計算的GPU處理,包括Coulomb和交換部分計算的處理。加上多GPU卡的并行計算的處理,該方法可用Hartree-Fock能量和DFT能量的解析梯度的計算。使用GPU程序和單個GPU卡(GeForce 295 GTX),與在42.66 GHz CPU上運行的GAMESS程序相比,從小到大的分子,GPU仍然可有數倍到超過百倍的速度提高。這樣,他們提出的在GPU上運行的量化計算的算法,涵蓋了基本的從頭算/DFT的全部三個耗時步驟(雙電子積分、Hartree-Fock/Kohn-Shan矩陣處理和能量的解析梯度)。基于此,Martinez推出了他們的TeraChem程序,目前是1.05版。TeraChem能進行閉殼層的Hartree-FockDFT的單點能量計算,基于解析梯度的幾何構型極小化和過渡態優化的計算,

以及基于以上計算(能量和解析梯度)的動力學模擬(MD)和簡單的QM/MM計算。使用TeraChem,很容易檢驗和實現上述他們的三篇論文的結果。TeraChem更為不凡,且需引起密切關注的原因是這是第一個完全基于GPU,從零開始編制的量化計算程序。TeraChem一進入人們的視野,就以完備的商品軟件的姿態出現。據PetaChem網站披露,TeraChem在今年春天一推出,短短半年內就有超過4000份的試用版本發出,展現出蓬勃的生命力。

 

幾種常見的計算化學軟件

TeraChem

簡介:

運行于64Linux系統下,專門為運行NVIDIA GPU架構而設計,用于一般目的的量子化學軟件。比傳統的基于CPU的代碼快1000倍。可以申請測試版。

功能:
限制性Hartree-FockKohn-Sham的單點能及梯度計算。
各種泛函(BLYPB3LYPPBE,等)和各種DFT格點(每個原子有800~80,000格點)。
結構優化。
從頭分子動力學(NVENVT系綜)。
支持多GPU系統。
支持大分子,可以直接讀寫PDB文件。
包含NBO 6,進行NBO分析。

GAMESS-US

簡介

從頭計算量子化學程序,可以從RHFROHFUHFGVBMCSCF計算波函,其中一些使用CIMP2修正。自恰場的解析梯度用于自動幾何優化,過渡態尋找,跟蹤反應路徑。能量hessian的計算允許預測振動頻率。可以計算大量的分子特性,從簡單的偶極矩到含頻率超級極化率。內部儲存了大量基組和有效核勢,分子中可以包含到Ra的所有元素。幾個圖形程序用于顯示最終結果。支持并行計算

功能:

Hartree-Fock
  密度泛函,包括B3LYPBLYPBP86BP97B97HCTHLDA7.0版新增:PBE交換-關聯泛函;HCTH120 HCTH147HCTH407KT1KT2泛函;PW92局域校正泛函;PW91交換泛函,關聯泛函和交換-關聯泛函;B95 meta-GGA關聯泛函;BB95B1B95,和BB1K meta-GGA關聯泛函(meta-GGA泛函只能計算能量和梯度)。
電子相關,包括MP2MP3MCSCFCASSCFMR-DCICCSDCCSD(T)RPAMCLR的激發能和諧振強度,完全CI Green函數計算電離勢。2002年的新版本6.3還可以進行多參考二級和三級Moller-Plesset微擾理論計算(包括其特殊形式CASPT2 CASPT3),以及MRCI+MRMPn (n=2,3)的混合方法
DIRECT-CI
模塊:進行單參考或多參考的CICEPA(0)CEPA(1)CEPA(2)ACPFAQCC計算
直接方法,有直接SCFDFTMP2RPA,半直接MRDCI
分子特性,包括MullikenLowdin布居數分析,靜電勢導出電荷,分布式多極矩分析,Morokuma分析,自然鍵軌道(NBO)分析,到AIMPAC代碼的接口,紅外和拉曼強度,多極矩,極化率,超極化率,磁化率,ZORA相對論影響,溶劑影響DRF
贗勢,包括局域和非局域贗勢
可視化,進行前期和后期處理
混合QM + MM,具有到Charmm的接口
半經驗方法MNDOAM1PM3。內含的MOPAC代碼升級到7.0
完全圖形化的安裝程序,以及友好的圖形用戶界面用于編輯和提交任務。(僅Windows版本)

NWChem

簡介

NWChem是運行在高性能并行超級計算機和通常工作站集群上的計算化學軟件,可以用在大多數計算平臺上。NWChem使用標準量子力學描述電子波函或密度,計算分子和周期性系統的特性,還可以進行經典分子動力學和自由能模擬。

功能

1. 分子的電子結構

  1) 下面的方法計算原子坐標的能量,解析一階導和二階導。

  自恰場(SCF)或Hartree-FockRHFUHF

  高斯密度泛函理論(DFT),使用正常的N3N4標度的局域,非局域(梯度校正)和雜化(局域,非局域和HF)的自旋限制交換-關聯勢

  2) 下面的方法計算原子坐標的能量和解析一階導。二階導由一階導的有限差分計算。

  自恰場(SCF)或Hartree-FockRHFUHF,高自旋ROHF

  高斯密度泛函理論(DFT),使用正常的N3N4標度的局域和非局域交換相關勢(RHFUHF

  自旋-軌道DFTSODFT),使用多種局域和非局域交換相關勢(UHF

  MP2,包括使用凍芯以及RHFUHF參考的半直接MP2

  完全活性空間SCFCASSCF

  束縛DFT

  加入經驗性長程色散校正的DFT-D方法

  3) 下面的方法僅用于計算能量。一階導和二階導由能量的有限差分計算。

  CCSDCCSD(T)CCSD+T(CCSD),使用RHF參考

  二級微擾修正的選擇CI。選擇參考組態的CI+微擾修正可以進行激發態的能量計算,并可以對激發態進行幾何優化。

  使用RHF參考的完全直接MP2

  分解恒等積分近似MP2RI-MP2),使用RHFUHF參考

  使用RHFUHFRDFT,或UDFT參考的CISTDHFTDDFT,和Tamm-Dancoff TDDFT用于激發態計算

  用于閉殼層和開殼層體系的CCSD(T)CCSD[T]TCE模塊)

  使用RHFUHF,或ROHF參考的UCCDULCCDUCCSDULCCSDUQCISDUCCSDT,和UCCSDTQ

  使用RHFUHF,或ROHF參考的UCISDUCISDT,和UCISDTQ

  使用RHFUHF參考的非正則UMP2UMP3,和UMP4

  EOM-CCSDEOM-CCSDTEOM-CCSDTQ用于閉殼層和開殼層體系激發能、躍遷矩和激發態偶極矩的計算

  CCSDCCSDTCCSDTQ用于閉殼層和開殼層體系偶極矩的計算

  在TCE模塊中,用二次近似的單雙耦合簇模型(CC2)計算激發能

  4) 下面的方法可用于計算分子特性。

  使用限制或非限制參考的耦合簇線性響應

  用線性響應方法計算CCSDCCSDT級別的基態動態極化率

  用線性響應方法計算CCSDTQ級別的動態偶極極化率

  5) 對所有的方法,下面的操作都適用。

  單點能

  幾何優化(最小值和過渡態)

  整個從頭勢能曲面上的分子動力學

  如果不能用解析導數,自動計算數值的一階和二階導

  笛卡爾坐標的簡正振動分析

  Morokuma及其合作者的ONIOM混合方法

  產生電子密度文件用于圖形顯示

  求解靜態和單電子特性

  原子局部電荷的靜電勢匹配(CHELPG方法,可以加上RESP限制或電荷約束)

  6) 對于閉殼層和開殼層的SCFDFT

  COSMO能量

  7) 另外,自動提供到以下程序的接口:

  NBO包。

  Python

  8) 密度泛函:

  數十種LDAGGA泛函(VWNBecke97Becke98HCTH系列,OPTXMPW91等),以及meta-GGA泛函。

2. 相對論影響

  以下的方法可以在量化計算中包含相對論:

  無自旋單電子Douglas-Kroll近似用于所有量子力學方法及其梯度。

  Dyall的無自旋改進Dirac哈密頓量近似用,于Hartree-Fock方法及其梯度。

  通過自旋-軌道勢包含單電子自旋-軌道影響。這個選項用于DFT及其梯度,但不能用對稱性。

  對于DFT,可以用無自旋的和自旋-軌道的ZORA

3. 贗勢平面波電子結構

  1) 下面的模塊使用贗勢平面波DFT,計算能量,結構優化,數值二階導,以及從頭分子動力學。

  PSPW(贗勢平面波),Gamma點程序,用于計算分子、液體、晶體、表面。

  Band,標準的能帶結構代碼,用于計算具有小帶隙(如半導體和金屬)的晶體和表面。

  GAPSS,周期體系電子結構LCAO模塊(聚合物,表面和固體的高斯方法),使用包含多種局域和非局域交換相關勢的高斯DFT,用于計算能量(4.6以上新版本不包含這個模塊)

  2) 計算使用:

  共軛梯度和有限內存的BFGS最小化

  Car-Parrinello(擴展拉格朗日動力學)

  常溫恒定能量下Car-Parrinello模擬

  在Car-Parrinello中固定原子的笛卡爾坐標和SHAKE束縛

  贗勢庫

  HamannTroullier-Martins模守恒贗勢,可以用半芯校正

  自動的波函初始猜測,現在使用LCAO

  VoskoPBE96交換關聯勢(自旋限制與非限制)

  非周期正交模擬單元,用于計算帶電或高度極化的分子

  用周期和自由空間邊界條件,正交模擬晶胞

  大、小平面波展開之間的轉換模塊

  到DRIVERSTEPPERVIB模塊的接口

  通過使用點電荷計算極化率

  Mulliken分析,點電荷分析,DPLOT分析(波函,密度,和靜電勢繪圖)

  BAND加入費米模糊技術

  BAND加入二分量相對論波函

  BAND加入HGH自旋-軌道勢

  BAND加入Hilbert分解并行FFT

  PSPW加入Car-Parrinello QM/MM

  非立方晶胞現在可以產生Wannier軌道

  PSPW使用新的并行分解,用于FFT格點和軌道

  PSPW加入分數占據的分子軌道

  二維處理器格點用于PSPW

  PSPW加入Born-Oppenheimer動力學選項

4. 分子動力學

  1) 以下功能用于經典分子模擬:

  單構型能量求解

  能量最小化

  分子動力學模擬

  自由能模擬

  2) 經典和量子描述的組合,執行:

  QM/MM能量最小化和分子動力學模擬

  使用任何能計算梯度的量子力學方法進行量子動力學模擬

  3) 通過用DIRDYVTST模塊,用戶可以為POLYRATE程序寫輸入文件,計算化學反應速率常數,包括量子力學振動能和隧穿的貢獻。

5. DNTMC

  新的動力學核理論Monte Carlo模塊,用于確定分子團簇的幾率分布和蒸發率。

6. Python

NWChem內植了Python程序語言,用戶可以很容易地組合和控制NWChem的許多高級功能,進行復雜的操作。

Q-CHEM

  電子結構從頭計算程序,可以對分子的基態和激發態進行第一定律計算。

功能:

基態自洽場方法

  1. Hartree-Fock方法

  限制性,非限制性,和限制性開殼層形式

  用于結構優化的解析一階導數

  用于諧振頻率分析的解析二階導數

  2. 密度泛函理論

  局域泛函和梯度校正泛函。交換泛函:SlaterBecke’88Perdew’91Gill’96Gilbert-Gill’99Handy -Cohen OPTX。關聯泛函:VWN5Lee-Yang-ParrPerdew-Zunger’81Perdew’86Wigner Perdew’91EDF1交換-關聯泛函。用戶定義的交換-關聯泛函。

  HF-DFT混合泛函:B3LYPB3PW91B3LYP5,用戶定義的混合泛函。

  基于數值格點的數值積分方案:SG-0標準網格,SG-1標準網格,LebedevGauss-Legendre角向積分方案

  用于結構優化的解析一階導數

  用于諧振頻率分析的解析二階導數

  3. 線性標度方法

  傅立葉變換庫侖方法

  連續快速多極方法

  線性標度HF交換方法

  基于格點的線性標度積分,用于交換-關聯泛函求值

  線性標度NMR化學位移

  4. AOINTS包用于雙電子積分

  結合了高性能積分技術的最新進展;COLD PRISMJ-矩陣引擎。

  5. SCF改進

  in-core和直接SCF的最優混合

  DIIS

  初始猜測方案:重疊球平均原子密度,廣義Wolfsberg-Helmholtz,從小基組投影,芯哈密頓量的猜測

  SCF波函的穩定性分析

  最大重疊方法

  Fock矩陣的直接最小化

  極化原子軌道對分子優化的最小基

基于波函的電子關聯處理

  1. Mφller-Plesset微擾理論

  限制性,非限制性,和限制性開殼層形式

  直接和半直接方法計算能量

  半直接方法的解析梯度,用于限制性和非限制性形式

  在MP3MP4MP4SDQ方法的解析梯度計算中處理凍芯軌道

  2. 局域MP2方法

  根據物理圖象截斷完全MP2的能量表達式,從而減少計算量

  減少計算量相對于分子尺寸的標度,近似為兩倍,卻不明顯丟失精度。

  應用外推PAO用于局域校正

  可以使用分子中的雙原子和分子中的三原子技術

  3. RI-MP2

  比MP2和局域MP2快十倍

  4. 耦合簇方法

  CCSD:能量,以及作為能量有限差分的梯度

  EOM-XX-CCSDXX = EE, EA, IP, SF,能夠靈活處理自由基,鍵的斷裂,以及對稱破缺問題

  耦合簇能量的非迭代校正:三級校正CCSD(T),三級和四級校正CCSD(2)

  廣泛應用分子點群對稱性,以改善效率

  二次雙激發耦合簇

  QCISDQCISD(T)QCISD(2)用于能量

  DIIS用于收斂加速

  凍芯近似,用于增加可處理體系的尺寸

  5. 優化軌道的耦合簇方法

  優化軌道的雙激發耦合簇(OD):可避免人為的對稱破缺問題;優化平均場參考軌道使能量最小;Brueckner耦合簇;ODOD(T),和OD(2)的能量及梯度

  優化價軌道的耦合簇方法(VOD):傳統CASSCF方法的耦合簇近似;在價活性空間利用截斷的OD波函;比CASSCF有更少的磁盤空間需求和更小的體系標度,可處理較大體系;VODVOD(T)VQCCD,和VOD(2)的能量及梯度

激發態方法

  1. 支持的計算類型

  垂直激發吸收譜

  通過激發態能量的有限差分,進行激發態的結構優化

  UCISRCIS進行激發態的振動分析

  自旋反轉DFT

  2. CIS方法

  從Hartree-Fock基態波函計算激發態:獲得定性的單電子激發態;結構與頻率與基態Hartree-Fock結果有可比性

  高效的直接算法用于計算閉殼層和開殼層體系的能量、解析梯度和二階導數

  XCIS用于二重和四重態計算

  雙激發微擾校正CIS(D),可使CIS誤差減少兩倍或更多,接近于MP2

  3. TDDFT

  從Kohn-Sham基態波函計算激發態能量

  對于低位價激發態,TDDFTCIS有相當大的改善,但只有相近的計算量

  提供激發態中關聯效應的內在圖像

  自由基的低位價激發態,比CIS有相當大的改善

  自旋反轉密度泛函理論(SFDFT):把TDDFT推廣到低位價激發態之外;可用于鍵斷裂的過程,以及自由基和雙自由基體系。

  4. 基于耦合簇的激發態方法

  EOM-CCSD

  自旋反轉激發態方法:改善了雙、三自由基體系的處理;結合單行列式波函處理鍵斷裂問題;可用于ODCCSD理論級別

  OOD方法:與CCSD激發態方法有幾乎相同的數值性能;比TDDFT精度更高,到計算量更昂貴

  EOM-VOOD方法:類似于EOM-CCSD,但使用VOOD方案

  激發態特性計算:躍遷偶極矩和結構

  5. 分解分析

  顯示電子躍遷的工具,用于把電子躍遷分類為價躍遷、Rydberg躍遷,混合躍遷,或電荷轉換

特性分析

  1. 自動結構優化和過渡態優化

  使用Jon Baker博士的OPTIMIZE程序包,用約化內坐標保證迅速收斂,避免初始力常數矩陣

  具有一般約束的結構優化:可施加于鍵角,二面(扭轉)角,或平面外的彎曲;直角坐標中凍結原子;約束不一定要加在初始結構上

  優化使用笛卡爾,Z-矩陣或離域內坐標

  本征矢跟蹤算法,用于過渡態和最小化

  GDIIS算法用于最小化:使到平衡結構的收斂獲得極大加速

  內反應坐標跟蹤:沿著反應路徑的連續平衡結構和過渡態

  2. 振動光譜

  自動調用解析和數值二階導數

  紅外和拉曼強度

  輸出標準的統計熱力學信息

  同位素替換,用于與實驗進行比較

  非諧性校正

  3. NMR屏蔽張量

  4. 自然鍵軌道分析

  使用NBO 4.0

  5. Stewart原子

  從分子密度重新獲得原子特性

  Q-Chem用單位分解方法計算這些值

  6. 動量密度

  7. Intracules

  獨特的雙電子函數,提供分子中庫侖能和交換能關于位置和動量的最詳盡信息

  8. 分子中的原子

  利用免費的AIMPAC進行AIM分析

  9. 溶解模型

  簡單的Onsager反應場模型

  Langevin偶極模型

  SS(V)PE:一種新的電解質連續模型

  10.基于Dirac-Fock理論的相對論能量校正

  11.對角絕熱校正

  計算Born-Oppenheimer對角修正,研究核與電子運動絕熱距離的分解

基組

  1. 高斯基組

  2. 贗勢基組

  3. 用戶定義的基組和贗勢

  4. 基組重疊誤差(BSSE)校正

QM/MM

  1. CHARMM的接口

  2. ONIUM

其他

  1. Q-Chem的功能已經完全整合到Spartan程序中,在圖形用戶界面下計算更容易

VASP

簡介

  VASPVienna Ab-initio Simulation Package的縮寫,它是使用贗勢和平面波基組,進行從頭量子力學分子動力學計算的軟件包,它基于CASTEP 1989版開發。VAMP/VASP中的方法基于有限溫度下的局域密度近似(用自由能作為變量)以及對每一MD步驟用有效矩陣對角方案和有效Pulay混合求解瞬時電子基態。這些技術可以避免原始的Car-Parrinello方法存在的一切問題,而后者是基于電子、離子運動方程同時積分的方法。離子和電子的相互作用超緩Vanderbilt贗勢(US-PP)或投影擴充波(PAW)方法描述。兩種技術都可以相當程度地減少過渡金屬或第一行元素的每個原子所必需的平面波數量。力與張量可以用VAMP/VASP很容易地計算,用于把原子衰減到其瞬時基態中。

主要功能

  · 采用周期性邊界條件(或超原胞模型)處理原子、分子、團簇、納米線(或管)、薄膜、晶體、準晶和無定性材料,以及表面體系和固體

  · 計算材料的結構參數(鍵長,鍵角,晶格常數,原子位置等)和構型

  · 計算材料的狀態方程和力學性質(體彈性模量和彈性常數)

  · 計算材料的電子結構(能級、電荷密度分布、能帶、電子態密度和ELF)

  · 計算材料的光學性質

  · 計算材料的磁學性質

  · 計算材料的晶格動力學性質(聲子譜等)

  · 表面體系的模擬(重構、表面態和STM模擬)

  · 從頭分子動力學模擬

  · 計算材料的激發態(GW準粒子修正)

程序亮點

  1. VASP使用PAW方法或超軟贗勢,因此基組尺寸非常小,描述體材料一般需要每原子不超過100個平面波,大多數情況下甚至每原子50個平面波就能得到可靠結果。

  2. 在平面波程序中,某些部分代碼的執行是三次標度。在VASP中,三次標度部分的前因子足可忽略,導致關于體系尺寸的高效標度。因此可以在實空間求解勢的非局域貢獻,并使正交化的次數最少。當體系具有大約2000個電子能帶時,三次標度部分與其它部分可比,因此VASP可用于直到4000個價電子的體系。

  3. VASP使用傳統的自洽場循環計算電子基態。這一方案與數值方法組合會實現有效、穩定、快速的Kohn-Sham方程自洽求解方案。程序使用的迭代矩陣對角化方案(RMM-DISS和分塊Davidson)可能是目前最快的方案。

  4. VASP包含全功能的對稱性代碼,可以自動確定任意構型的對稱性。

  5. 對稱性代碼還用于設定Monkhorst-Pack特殊點,可以有效計算體材料和對稱的團簇。Brillouin區的積分使用模糊方法或四面體方法。四面體方法可以用Blöchl校正去掉線性四面體方法的二次誤差,實現更快的k點收斂速度。




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