计算机在材料科学中的应用

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1、海南大学材料与化工学院2012级材料科学与工程一班课程作业：计算机在材料科学中的应用学生姓名：授课老师：陈大明摘要VASP是维也纳大学Haf ner小组开发的进行电子结构计算和量子力学-分子动力学模拟 软件包。它是目前材料模拟和计算物质科学研究中最流行的商用软件之一。（1 ）它在材料学中有广泛的运用，具有很高的使用价值。Vasp仍在不停开发中，有更多更有用 的功能将会被人们开发，这会使人们对材料的研究更加透彻。关键词Vasp电子结构计算和量子力学-分子动力学材料模拟物质科学一简介VASP是维也纳大学Haf ner小组开发的进行电子结构计算和量子力学-分子动力学模拟 软件包。它是目前材料模拟和计

2、算物质科学研究中最流行的商用软件之一。Vasp是基于 castep （ Cambridge Sequential Total Energy Package 的缩写是一个基于密度泛函方法的 从头算量子力学程序）1989版开发的。VASP通过近似求解Schrodinger方程得到体系的电子态和能量，既可以在密度泛 函理论（DFT）框架内求解Kohn-Sham方程（已实现了混合（hybrid）泛函计算），也可以 在Hartree-Fock （HF）的近似下求解Roothaan方程。此外，VASP也支持格林函数方法（GW准粒子近似，ACFDT-RPA）和微扰理论（二阶M0ller-Plesset）。V

3、ASP使用平面波基组，电子与离子间的相互作用使用模守恒贋势（NCPP）、超 软贋势（USPP）或投影扩充波（PAW）方法描述。VASP使用高效的矩阵对角化技术求解电子基态。在迭代求解过程中采用了 Broyden和Pulay密度混合方案加速自洽循环的收敛。VASP可以自动确定任意构型的对称 性。利用对称性可方便地设定Mon khorst-Pack特殊点，可用于高效地计算体材料和对称团 簇。Brillouin区的积分使用模糊方法或Blochl改进的四面体布点-积分方法，实现更快的k 点收敛。（2）vasp中的方法基于有限温度下的局域密度近似（用自由能作为变量）以及对每一MD 步骤用有效矩阵对角方案

4、和有效混合求解瞬时电子基态。这些技术可以避免原始的方法存在 的一切问题，而后者是基于电子、离子运动方程同时积分的方法。离子和电子的相互作用超 缓Vin derbilt贋势（US-PP）或投影扩充波（PAW）方法描述。两种技术都可以相当程度地减少 过渡金属或第一行元素的每个原子所必需的平面波数量。力与张量可以用很容易地计算，用 于把原子衰减到其瞬时基态中。二功能1. 采用周期性边界条件或超原胞模型处理原子、分子、团簇、纳米线2. 计算膜管、薄膜、晶体、准晶和无定性材料，以及表面体系和固体 3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4计算材料的状态方程和力学性质体弹性模量和弹性常数

5、）5.计算材料的电子结构能级、电荷密度分布、能带、电子态密度和6计算材料的光学性质7计算材料的磁学性质8计算材料的晶格动力学性质声子谱等）9. 表面体系的模拟重构、表面态和模拟）10. 从头分子动力学模拟11计算材料的激发态准粒子修正）三优点1. VASP使用PAW方法或超软贋势，因此基组尺寸非常小，描述体材料一般需要每原 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。2在平面波程序中，某些部分代码的执行是三次标度。在VASP中，三次标度部分的前 因子足可忽略，导致关于体系尺寸的高效标度。因此可以在实空间求解势的非局域贡献，并 使正交化的次数最少。当体系具有大约2

6、000个电子能带时，三次标度部分与其它部分可比， 因此VASP可用于直到4000个价电子的体系。3. VASP使用传统的自洽场循环计算电子基态。这一方案与数值方法组合会实现有效、 稳定、快速的Kohn-Sham方程自洽求解方案。程序使用的迭代矩阵对角化方案（RMM-DISS 和分块Davidson可能是目前最快的方案。4. VASP包含全功能的对称性代码，可以自动确定任意构型的对称性。5对称性代码还用于设定Mon khcrst-Pack特殊点，可以有效计算体材料和对称的团簇。 Brillouin区的积分使用模糊方法或四面体方法。四面体方法可以用校正去掉线性四面体方法 的二次误差，实现更快的点收

7、敛速度0 VASP广泛使用于材料模拟研究领域，它的代码使用 FORTRAN编写，具有良好的可读性，同时很方便地进行代码的修改以及与其他代码相结 合使用。它的主要特点在于基组小适于第一行元素和过渡金属，对于大体系（4000价电 子）计算快，支持断点续算功能，但不能计算体系的动力学过程。四应用范围某应用计算集群系统的优化集群计算技术是计算模拟的重要手段。集群是价格低廉而且 方便的高性能计算方法，通过本地网络连接多台计算机来共同完成工作。集群中的计算机处 于平等地位，通过相互协作完成计算。集群以较低的成本获得计算能力大幅度的提升，是高 性能计算趋于平民化。集群采用并行与分布式计算技术。并行计算（，或

8、称并行处理，平行 计算）一般是指许多指令得以同时进行计算的计算模式。分布式计算（是一种把需要进行大 量计算的工程数据分成小块，由多台计算机分别计算，上传运行结果后，将结果统一合并得出数据结论的计算方式。（3）本文所研究的应用计算集群在基础科学研究、工业工程、公益事业、国防安全等各个领 域的广泛应用，解决了一些重大、关键、挑战性的重要科学和工程问题，对支撑科技创新、 推动经济发展起到了重要作用。基础科学研宄是VASP应用计算最主要的应用领域。过去的几十年里研宄人员在化学、 材料科学、生命科学、固体物理、生物物理、生物化学、药物研宄等微观领域的研究中，基 于量子力学方法发展了大量而可靠的非相对论薛

9、定愕方程和相对论迪拉克方程的近似解法， 用来模拟微观世界中原子和分子的相互作用和行为。例如，使用并行程序进行密度泛函理论 （计算已经成为材料科学、固体物理、计算化学、计算生物学等领域内必不可少的研究手段 之一；并行实现的高精度耦合簇理论（和组态相互作用（方法被许多量子化学计算程序采用， 成为计算化学的主要工具；基于牛顿力学并结合了量子力学的分子动力学计算的并行实现， 是生命科学、生物物理、生物化学、药物研究等领域的主要模拟手段。随着更强大、更高计 算能力的应用计算集群的出现，人们可以模拟越来越大规模的微观系统、越来越长时间的微 观过程、越来越精细的微观现象，从而极大的增强了对自然的认知能力。V

10、ASP应用一般采用周期性边界条件来处理原子、分子、团簇、纳米线，薄膜、晶体、 准镜和定性材料，以及表面体系和固体，可以计算材料的结构参数和构型、状态方程和力学 性质、电子结构、光学、磁学和晶格动力学性质等等。VASP应用计算集群主要应用于六大业务领域，1. 地质勘探：地质资料处理2. 物理化学：物质的物理化学属性的科研工作；3生命科学：基因科学，蛋白质科学的研宄以及新药的研发4材料科学：计算机辅助工程，广泛应用于材料科学研宄中；5. 气象环境海洋：气象环境海洋的数值预报6. 石油勘探：油气勘探研宄作为材料科学与工程专业的一名本科生，我们更应该了解熟悉VASP的应用方法，以方便 我们以后的学习工

11、作生活中的研究与应用。FC机笔记本瘦终端.匸作站平板电脑-J. - - . - -. -应用软件层地质勘探生命科学材料科学k物理化学海洋勘探石油勘探系统软件层操作系统作业调度 管理系统并行环境 编译器/数学库/MPI丿核心硬件层运算系统功能节点存储系统网络系统基础设施层空调低电防雷系统机房装修机柜及KVM图1-1 WSP应用计算集群总体框架五. VASP的发展VASP较的原型是Mike Payne在开发的程序包。这个程序包产生了两个分支一个是 VASP, 一个是CASTEP剑桥连续总能量软件包）。当VASP开始发展的时候，CASTEP 这个名字还没有产生。1989年,Juergen Hafin

12、er把的VASP原型代码从剑桥带回了维也纳， 但VASP的真正开发是在1991年开始的。这个时候，CASTEP实际上己经进一步发展了 很多，但是VASP是基于1989年版的CASTEP开发的，这个版本CASTEP的只支持局域 腐势和Car-Parr in eiio型的急速下降算法。1995年，VASP的名字被确定下来，并且成为一 个稳定而通用的从头计算工具。1996年，VASP的语言FORTRAN出现，并且开始进行MPI并行化。但是，开始进行 并行化工作的人“抄袭”了 CASTEP的通讯内核，从而引起了 VASP和CASTEP的纠纷。 1997年1月，VASP的并行化在英国完成。1998年，V

13、ASP的通讯内核被完全重写，以去 除CASTEP的部分，这导致了 VASP对T3D/T3E通讯不再特别有效率。1999年，投影增 强波（PAW）方法被采用。目前，维也纳大学的Juergen Hafiner和Georg Kresse研究组以及德国的研宄组共同开发 并发展VASP。它是用贋势平面波方法进行分子动力学模拟的软件包。与同类的软件相比， 它比较早的实现了超软贋势，计算量相对于一般的模守恒贋势方法大为减少。VASP加入了 对PAW方法的支持，这使得VASP的应用更为广泛。VASP是众多研究领域常用的计算应用软件，国内的大量研究机构都釆用VASP作为主要计算软件平台，因此也建设了大量的应用计

14、算集群。由于需要处理海量数据，VASP应用计算对处理器的浮点运算能力、性能、内存容量以 及带宽都有较高的要求。当前的应用计算集群体系结构的主流仍然是以Cluster集群）架构 来构建大规模的并行高性能计算系统（4）。这主要得益于其高速的运算性能、良好的Linux 操作系统和节点之间的兼容性，具体表现在：1强大的运算能力：集群的运算能力能满足大规模资料处理与解释分析的需求；GPU 图形处理单元）技术的出现和发展，带来了 VASP应用计算性能进一步的提升。2较高的I/O性能：在运行过程中，每个作业需要约数十GB的存储空间存放临时文件,并对这些临时文件进行频繁的读写操作，因而对系统I/O的性能提出要

15、求较高；3. 高性能管理：除了处理超大规模的计算任务外，还要支持多用户、多作业的能力，这 就要求系统具有强大的资源管理和作业调度功能，以应对作业的自动调度、优先级管理，用 户的资源分配等要求；4较强的系统扩展能力：随着研究与业务的发展，原有应用程序的计算规模必定涉及到 系统扩展问题，不仅是硬件或计算能力的增加，而且要求新增系统能充分地融合到现有的系 统中。VASP应用计算集群系统需要考虑软硬件一体化发展问题。目前应用计算的硬件发展迅 速，但软件方面的缺失仍是应用计算效率提高的瓶颈，如何解决“软硬失衡”问题，也是应 用计算方面的研究热点。无论在国内还是国外，计算集群性能比的都是系统的潜能，即理论运算峰值速度及 Lin pack基准测试性能，但它们却无法反映计算的实用性能。实际上，对于很多科研院所、 高校、企业等集群计算应用机构来说，因为软件、配置、管理等因素导致其集群计算系统应 用效率低下的例子比比皆是。一些用户集群计算系统的硬件规模虽然在不断扩展，但其实际 计算力却没有明显提升，又或是现在拥有几百个甚至上千个计算核心的计算集群系