Inspur-量子化学领域高性能分析.ppt

1、,应 用 . 创 新 量子化学领域高性能分析,计算化学,计算化学(computational chemistry)是理论化学的一个分支。 计算化学的主要目标是利用有效的数学近似以及电脑程序计算分子的性质（例如总能量，偶极矩，四极矩，振动频率，反应活性等）并用以解释一些具体的化学问题。,理论化学泛指采用数学方法来表述化学问题,计算化学指可以用电脑程序实现的数学方法,量子化学是量子力学与化学的交叉学科,量子化学,量子化学是理论化学的一个分支学科，是应用量子力学的基本原理和方法研究化学问题的一门基础科学。 量子化学的研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能及其结构与性能之间的关系、分子与分子之间的相

2、互作用、分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等问题。,量子化学相关学科,结构决定性质 边缘学科：量子有机化学、量子无机化学、量子生物和药物化学、表面吸附和催化中的量子理论、分子间相互作用的量子化学和分子反应动力学的量子理论等。 按结构分类： 生物领域（分子、蛋白质模拟） 物理领域（晶体结构、状态） 电子学（电子器件模拟、电子输运） （生命科学学院、物理学院、化学学院、信息学院都会用到）,量子化学简介-计算方法,分子力学: MM 半经验方法: MNDO、CNDO 从头计算方法(也叫第一性原理计算，ab initio methods): HF, post-SCF ( MP2、CI、CCSD、CASS

3、CF) 密度泛函理论(DFT):b3lyp, 量子力学与分子力学结合: QM/MM,量子化学简介-基本概念,基函数：量子化学中的基组是用于描述体系波函数的若干具有一定性质的函数。 K点：表示的是布里渊区内的高对称性的一点特殊的K点。至于为何这些 K点有特殊重要的意义，是因为在进行体系总能计算时，通常要对布里渊区内的波函数或本征值进行积分。在实际计算过程中，积分是通过对部分特殊选取的K点的求和完成的。 通常，根据体系的不同，需要选择不同的基组，构成基组的函数越多，计算的精度也越高，计算量也随之增大。 可以理解为照片的象素！,量子化学简介-基本常识,相同条件下，CPU的计算时间与算例基函数的立方成

4、正比； 相同条件下，内存的使用量与算例基函数的平方成正比； 相同条件下，硬盘的使用量与基函数的平方成正比； 在有的软件里面选择K点作为计算的依据，而K点的数目与基函数的数目直接相关，因此上述资源需求与基函数的关系也同样适用于K点。,计算化学软件,Gaussian,Gaussian是做半经验计算和从头计算使用最广泛的量子化学软件，可以用来预测气相和液相条件下，分子和化学反应的许多性质。如，分子能量和结构，过渡态的能量和结构，化学键以及反应能量，分子轨道，极化率和超极化率，热力学性质，反应路径等。 Gaussian并行方式： 节点内:OpenMP，并行效率高 节点间:TPC-Linda，并行效率低

5、 根据任务计算量选择并行方式 优势： 用户比较多，计算速度和精度居中；功能比较多；应用广,Openmp是基于共享内存或基于NUMA体系结构的 多线程高速并行方式。,Linda是专门为Gaussian设计，实现G03分布式并行的必需程序,Gaussian-应用特点,并行方式 LINDA，OPENMP 内存：不同的分子结构需要设置不同memory大小 Memory=M + 2NB2 （单位是8字节的位) 其中NB是计算中使用的基函数数量，M是和工作任务类型有关的最小值 注意1 MW = 8MB,表中的值是32位计算机系统的；对64位系统需要增加一倍。,Gaussian-应用特点,磁盘IO 开始阶段

6、将一些计算内容写入一个文件中，所以Gaussian 03计算的时候会在开始阶段出现整个运算过程的IO最高峰，并在后面计算的过程中始终保持较小的IO。,Gaussian-应用小结,CPU：Gaussian 03计算对计算能力的需求是很大，可以通过并行计算实现性能的提高，在一定范围内采用越多的CPU计算将提供越强大的计算能力，主频高对性能影响明显； 硬盘IO：通常的用户基本不需要配置专门的存储系统，但是需要相对较大的本地硬盘空间；但重IO的case需要并行文件系统，或者大带宽的文件系统；对于有着大规模计算需求而且又希望保留临时文件的用户就有必要配置专门的存储系统； 内存：由于目前大多数计算都要消耗

7、比较大的内存，且如果采用Linda方式计算内存需要更大，因此推荐大多数用户单节点至少配置8G/16G以上内存； 网络：通常千兆以太网可以满足一般计算要求；Infiniband能提供一种更高带宽和延迟的高速网络选择。,材料科学定义,材料科学是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能，以及它们之间相互关系的科学。 材料科学是多学科交叉与结合的结晶，是一门与工程技术密不可分的应用科学。,计算材料软件,常用软件介绍-VASP,VASP是使用赝势和平面波基组，进行从头量子力学分子动力学计算的软件包，它基于CASTEP 1989版开发。 VASP使用PAW方法或超软赝势，因此基组尺寸非常小，描述体材料

8、一般需要每原子不超过100个平面波，大多数情况下甚至每原子50个平面波就能得到可靠结果。 并行效率相对较高。,VASP,软件简介 它是基于密度泛函理论下并利用平面波势方法进行从头分子动力学和第一原理电子结构计算的软件包；可以计算材料的结构参数(键长,键角,晶格常数，原子位置等)和构型; 计算材料的状态方程和力学性质(体弹性模量和弹性常数；计算材料的电子结构；光学、磁学和晶格动力学性质等 软件特点 CPU 内存容量，内存带宽 网络IO 磁盘IO 应用小结,VASP,CPU 内存 内存容量估算 Memory=NKDIM*NBANDS*NPLMV*16/10 (Byte) NKDIM:K点数目，NBANDS:能带数目；NPLMV:平面波数目 内存带宽使用情况,VASP,网络IO 磁盘IO,VASP应用小结,CPU:计算密集型应用，主频高对性能影响明显 内存：一般情况下48G内存能够满足大部分应用的需要，当计算规模增大，如离子数目（1000），平