計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用(共8頁)

1、材料(cilio)與化工學(xué)院2012級材料科學(xué)與工程(gngchng)一班 課程(kchng)作業(yè)：計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用 學(xué)生姓名： 張 碩 學(xué)生學(xué)號： 20120413310040 授課老師： 陳大明 摘要(zhiyo)VASP是維也納大學(xué)Hafner小組開發(fā)的進行電子結(jié)構(gòu)計算和量子力學(xué)-分子動力學(xué)模擬軟件包。它是目前(mqin)材料模擬和計算物質(zhì)科學(xué)研究中最流行的商用軟件之一。（1）它在材料(cilio)學(xué)中有廣泛的運用，具有很高的使用價值。Vasp仍在不停開發(fā)中，有更多更有用的功能將會被人們開發(fā)，這會使人們對材料的研究更加透徹。關(guān)鍵詞Vasp 電子結(jié)構(gòu)計算和量子力學(xué)-分子動力學(xué) 材料

2、模擬 物質(zhì)科學(xué)一簡介VASP是維也納大學(xué)Hafner小組開發(fā)的進行電子結(jié)構(gòu)計算和量子力學(xué)-分子動力學(xué)模擬軟件包。它是目前材料模擬和計算物質(zhì)科學(xué)研究中最流行的商用軟件之一。Vasp是基于castep（ Cambridge Sequential Total Energy Package 的縮寫是一個基于 HYPERLINK /doc/1094140-1157710.html t /doc/_blank 密度泛函方法的從頭算量子力學(xué)程序）1989版開發(fā)的。VASP通過近似求解Schrdinger方程得到體系的電子態(tài)和能量，既可以在密度泛函理論（DFT）框架內(nèi)求解Kohn-Sham方程(已實現(xiàn)了混合（

3、hybrid）泛函計算)，也可以在Hartree-Fock（HF）的近似下求解Roothaan方程。此外，VASP也支持格林函數(shù)方法（GW準(zhǔn)粒子近似，ACFDT-RPA）和微擾理論（二階Mller-Plesset）。VASP使用平面波基組，電子與離子間的相互作用使用模守恒贗勢（NCPP）、超軟贗勢（USPP）或投影擴充波（PAW）方法描述。VASP使用高效的矩陣對角化技術(shù)求解電子基態(tài)。在迭代求解過程中采用了Broyden和Pulay密度混合方案加速自洽循環(huán)的收斂。VASP可以自動確定任意構(gòu)型的對稱性。利用對稱性可方便地設(shè)定Monkhorst-Pack特殊點，可用于高效地計算體材料和對稱團簇。B

4、rillouin區(qū)的積分使用模糊方法或Blchl改進的四面體布點-積分方法，實現(xiàn)更快的k點收斂。（2）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混合求解瞬時電子基態(tài)。這些技術(shù)可以避免原始的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Vinderbilt贗勢(US-PP)或投影擴充波(PAW)方法描述。兩種技術(shù)都可以相當(dāng)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(shù)量。力與張量可以用很容易地計算，用于把原子衰減到其瞬時基態(tài)中。二功能(gngnng)采用周期性邊界條件或超原胞模型

5、處理(chl)原子、分子、團簇、納米線 計算(j sun)膜管、薄膜、晶體、準(zhǔn)晶和無定性材料，以及表面體系和固體3.計算材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)鍵長，鍵角，晶格常數(shù)，原子位置等和構(gòu)型4.計算材料的狀態(tài)方程和力學(xué)性質(zhì)體彈性模量和彈性常數(shù)）5.計算材料的電子結(jié)構(gòu)能級、電荷密度分布、能帶、電子態(tài)密度和6.計算材料的光學(xué)性質(zhì)7.計算材料的磁學(xué)性質(zhì)8.計算材料的晶格動力學(xué)性質(zhì)聲子譜等）9.表面體系的模擬重構(gòu)、表面態(tài)和模擬）10.從頭分子動力學(xué)模擬11.計算材料的激發(fā)態(tài)準(zhǔn)粒子修正）三優(yōu)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(shù)情況下甚至每原子5

6、0個平面波就能得到可靠結(jié)果。2.在平面波程序中，某些部分代碼的執(zhí)行是三次標(biāo)度。在VASP中，三次標(biāo)度部分的前因子足可忽略，導(dǎo)致關(guān)于體系尺寸的高效標(biāo)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(shù)最少。當(dāng)體系具有大約2000個電子能帶時，三次標(biāo)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(tǒng)的自洽場循環(huán)計算電子基態(tài)。這一方案與數(shù)值方法組合會實現(xiàn)有效、穩(wěn)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(gòu)型的對稱性

7、。5.對稱性代碼還用于設(shè)定Monkhcrst-Pack特殊點，可以有效計算體材料和對稱的團簇。Brillouin區(qū)的積分使用模糊方法或四面體方法。四面體方法可以用校正去掉線性四面體方法的二次誤差，實現(xiàn)更快的點收斂速度。VASP廣泛使用于材料模擬研究領(lǐng)域，它的代碼使用FORTRAN編寫，具有良好的可讀性，同時很方便地進行代碼的修改以及與其他代碼相結(jié)合使用。它的主要特點在于基組小適于第一行元素和過渡金屬，對于大體系（4000價電子）計算快，支持斷點續(xù)算功能，但不能計算體系的動力學(xué)過程。四應(yīng)用范圍某應(yīng)用計算集群系統(tǒng)的優(yōu)化集群計算技術(shù)是計算模擬的重要手段。集群是價格低廉而且方便的高性能計算方法，通過本

8、地網(wǎng)絡(luò)連接多臺計算機來共同完成工作。集群中的計算機處于平等地位，通過相互協(xié)作完成計算。集群以較低的成本獲得計算能力大幅度的提升，是高性能計算趨于平民化。集群采用并行與分布式計算技術(shù)。并行計算（，或稱并行處理，平行計算）一般是指許多指令得以同時進行計算的計算模式。分布式計算（是一種把需要進行大量計算的工程數(shù)據(jù)分成小塊，由多臺計算機分別計算，上傳運行結(jié)果后，將結(jié)果統(tǒng)一合并得出數(shù)據(jù)結(jié)論的計算方式。(3)本文所研究的應(yīng)用計算集群在基礎(chǔ)科學(xué)研究、工業(yè)工程、公益事業(yè)、國防安全等各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，解決了一些重大、關(guān)鍵、挑戰(zhàn)性的重要(zhngyo)科學(xué)和工程問題，對支撐科技創(chuàng)新、推動經(jīng)濟發(fā)展起到了重要作用。

9、基礎(chǔ)科學(xué)研宄是VASP應(yīng)用計算最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。過去的幾十年里研宄人員在化學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、固體物理、生物物理、生物化學(xué)、藥物研宄等微觀領(lǐng)域的研究中，基于量子力學(xué)方法發(fā)展了大量而可靠的非相對論薛定愕方程和相對論迪拉克方程的近似解法，用來模擬微觀世界中原子和分子的相互作用和行為。例如，使用并行程序進行密度泛函理論（計算已經(jīng)成為材料科學(xué)、固體物理、計算化學(xué)、計算生物學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)必不可少的研究手段之一；并行實現(xiàn)的高精度耦合簇理論（和組態(tài)相互作用（方法被許多量子化學(xué)計算程序采用，成為計算化學(xué)的主要工具；基于牛頓力學(xué)并結(jié)合了量子力學(xué)的分子動力學(xué)計算的并行實現(xiàn)，是生命科學(xué)、生物物理、生物化學(xué)、藥物研究

10、等領(lǐng)域的主要模擬手段。隨著更強大、更高計算能力的應(yīng)用計算集群的出現(xiàn)，人們可以模擬越來越大規(guī)模的微觀系統(tǒng)、越來越長時間的微觀過程、越來越精細的微觀現(xiàn)象，從而極大的增強了對自然的認知(rn zh)能力。VASP應(yīng)用一般(ybn)采用周期性邊界條件來處理原子、分子、團簇、納米線，薄膜、晶體、準(zhǔn)鏡和定性材料，以及表面體系和固體，可以計算材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)和構(gòu)型、狀態(tài)方程和力學(xué)性質(zhì)、電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)、磁學(xué)和晶格動力學(xué)性質(zhì)等等。VASP應(yīng)用計算集群主要應(yīng)用于六大業(yè)務(wù)領(lǐng)域，1.地質(zhì)勘探：地質(zhì)資料處理2.物理化學(xué)：物質(zhì)的物理化學(xué)屬性的科研工作；3.生命科學(xué)：基因科學(xué)，蛋白質(zhì)科學(xué)的研宄以及新藥的研發(fā)4.材料科學(xué)：計算

11、機輔助工程，廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)研宄中；5.氣象環(huán)境海洋：氣象環(huán)境海洋的數(shù)值預(yù)報6.石油勘探：油氣勘探研宄作為材料科學(xué)與工程專業(yè)的一名本科生，我們更應(yīng)該了解熟悉VASP的應(yīng)用方法，以方便我們以后的學(xué)習(xí)工作生活中的研究與應(yīng)用。五VASP的發(fā)展(fzhn)VASP較的原型是Mike Payne在開發(fā)的程序包。這個程序包產(chǎn)生了兩個分支一個是VASP，一個是CASTEP劍橋連續(xù)總能量軟件包）。當(dāng)VASP開始發(fā)展的時候，CASTEP這個名字還沒有產(chǎn)生。1989年，Juergen Hafiner把的VASP原型代碼從劍橋帶回了維也納，但VASP的真正(zhnzhng)開發(fā)是在1991年開始的。這個時候，CA

12、STEP實際上己經(jīng)進一步發(fā)展了很多，但是VASP是基于1989年版的CASTEP開發(fā)的，這個版本CASTEP的只支持局域腐勢和Car-Parrineiio型的急速下降算法。1995年，VASP的名字被確定下來，并且成為一個穩(wěn)定而通用的從頭計算工具。1996年，VASP的語言FORTRAN出現(xiàn)，并且(bngqi)開始進行MPI并行化。但是，開始進行并行化工作的人“抄襲”了CASTEP的通訊內(nèi)核，從而引起了VASP和CASTEP的糾紛。1997年1月，VASP的并行化在英國完成。1998年，VASP的通訊內(nèi)核被完全重寫，以去除CASTEP的部分，這導(dǎo)致了VASP對T3D/T3E通訊不再特別有效率。

13、1999年，投影增強波（PAW)方法被采用。目前，維也納大學(xué)的Juergen Hafiner和Georg Kresse研究組以及德國的研宄組共同開發(fā)并發(fā)展VASP。它是用贗勢平面波方法進行分子動力學(xué)模擬的軟件包。與同類的軟件相比，它比較早的實現(xiàn)了超軟贗勢，計算量相對于一般的模守恒贗勢方法大為減少。VASP加入了對PAW方法的支持，這使得VASP的應(yīng)用更為廣泛。VASP是眾多研究領(lǐng)域常用的計算應(yīng)用軟件，國內(nèi)的大量研究機構(gòu)都釆用VASP作為主要計算軟件平臺，因此也建設(shè)了大量的應(yīng)用計算集群。由于需要處理海量數(shù)據(jù)，VASP應(yīng)用計算對處理器的浮點運算能力、性能、內(nèi)存容量以及帶寬都有較高的要求。當(dāng)前的應(yīng)用

14、計算集群體系結(jié)構(gòu)的主流仍然是以Cluster集群）架構(gòu)來構(gòu)建大規(guī)模的并行高性能計算系統(tǒng)(4)。這主要得益于其高速的運算性能、良好的Linux操作系統(tǒng)和節(jié)點之間的兼容性，具體表現(xiàn)在：1.強大的運算(yn sun)能力：集群的運算能力能滿足大規(guī)模資料處理與解釋分析的需求；GPU圖形處理單元）技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，帶來了VASP應(yīng)用計算性能進一步的提升。2.較高的I/O性能：在運行過程(guchng)中，每個作業(yè)需要約數(shù)十GB的存儲空間存放臨時文件，并對這些臨時文件進行頻繁的讀寫操作，因而對系統(tǒng)I/O的性能提出要求較高；3.高性能管理：除了處理超大規(guī)模的計算任務(wù)外，還要支持多用戶、多作業(yè)的能力，這就要求

15、(yoqi)系統(tǒng)具有強大的資源管理和作業(yè)調(diào)度功能，以應(yīng)對作業(yè)的自動調(diào)度、優(yōu)先級管理，用戶的資源分配等要求；4.較強的系統(tǒng)擴展能力：隨著研究與業(yè)務(wù)的發(fā)展，原有應(yīng)用程序的計算規(guī)模必定涉及到系統(tǒng)擴展問題，不僅是硬件或計算能力的增加，而且要求新增系統(tǒng)能充分地融合到現(xiàn)有的系統(tǒng)中。VASP應(yīng)用計算集群系統(tǒng)需要考慮軟硬件一體化發(fā)展問題。目前應(yīng)用計算的硬件發(fā)展迅速，但軟件方面的缺失仍是應(yīng)用計算效率提高的瓶頸，如何解決“軟硬失衡”問題，也是應(yīng)用計算方面的研究熱點。無論在國內(nèi)還是國外，計算集群性能比的都是系統(tǒng)的潛能，即理論運算峰值速度及Linpack基準(zhǔn)測試性能，但它們卻無法反映計算的實用性能。實際上，對于很多科

16、研院所、高校、企業(yè)等集群計算應(yīng)用機構(gòu)來說，因為軟件、配置、管理等因素導(dǎo)致其集群計算系統(tǒng)應(yīng)用效率低下的例子比比皆是。一些用戶集群計算系統(tǒng)的硬件規(guī)模雖然在不斷擴展，但其實際計算力卻沒有明顯提升，又或是現(xiàn)在擁有幾百個甚至上千個計算核心的計算集群系統(tǒng)雖然大量涌現(xiàn)出來，但是能充分利用其性能的應(yīng)用軟件卻是少之又少。(5)西方國家在硬件制造和軟件開發(fā)方面相對比較平衡，而我國應(yīng)用計算產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)的卻是機器大、軟件差，軟硬失衡的格局，有人將之形象地比喻為“瘸子走路”。軟件開發(fā)和應(yīng)用水平的提高，取決于多方面的因素，一是目前我們還缺乏對規(guī)模更大、精度更高的計算模型及算法的研宄，它們在傳統(tǒng)應(yīng)用用戶如石油、氣象、航天等領(lǐng)域

17、有巨大的需求；二是政府、軟件開發(fā)商對多核處理器的支持力度不夠，投入不足；三是我國專業(yè)軟件開發(fā)的人員少，隊伍還不夠固定。國內(nèi)相關(guān)研究機構(gòu)現(xiàn)有的VASP應(yīng)用計算集群和數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)仍然存在著諸多的問題，例如計算模型不夠優(yōu)化，VASP應(yīng)用計算集群系統(tǒng)設(shè)計不合理，缺乏數(shù)據(jù)傳輸安全保障手段等等。計算模型不夠優(yōu)化，VASP應(yīng)用計算集群系統(tǒng)設(shè)計不合理都會影響到數(shù)據(jù)計算的準(zhǔn)確性和計算效率，從而導(dǎo)致最終的數(shù)據(jù)分析結(jié)果的偏離正確方向，造成嚴重的后果。因此，需要建立完善的機制來保證數(shù)據(jù)計算環(huán)境的高性能、高可靠性和足夠的安全性，所以在深部巖土力學(xué)研究息化工作的整體框架中，建立基礎(chǔ)深部巖土力學(xué)研宄數(shù)據(jù)的保障體系成為必不可

18、少的組成部分。六VASP與其他幾種軟件的區(qū)別vasp一般采用周期性邊界條件來處理原子、分子、團簇、納米線，薄膜、晶體、準(zhǔn)鏡和我定性材料，以及表面體系，也太體系和固體，可以計算材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)和構(gòu)型、狀態(tài)方程和力學(xué)性質(zhì)、電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)、磁學(xué)和晶格動力學(xué)性質(zhì)等等。Materials studio可以進行構(gòu)型優(yōu)化、性質(zhì)預(yù)測和X射線衍射分析，以及(yj)復(fù)雜的動力學(xué)模擬和量子力學(xué)等方面的計算。有Materials Visualizer、Discover、COMPASS、Amorphous Cell、Reflex、Reflex Plus、Equilibria、DMol3、CASTEP等模塊，分別由各自的擅

19、長領(lǐng)域。Gauss可以計算分子能量和結(jié)構(gòu)、過渡態(tài)能量和結(jié)構(gòu)、鍵和反應(yīng)能量、分子軌道、多重矩、原子電荷和電勢、振動頻率、紅外和拉曼光譜、核磁性質(zhì)、極化率和超級化率、熱力學(xué)性質(zhì)和反應(yīng)路徑等等，計算可以對體系的基態(tài)(j ti)或激發(fā)態(tài)執(zhí)行 ，可以預(yù)測周期性體系的能量、結(jié)構(gòu)和分子軌道。VASP實際(shj)應(yīng)用案列為了了解VASP軟件的實際應(yīng)用，我閱讀了一篇文獻進行參考缺陷對RRAM 材料阻變機理的影響（6）基于密度泛函理論(DFT)的第一性原理和VASP仿真軟件，分析了阻變隨機存儲器(RRAM)阻變效應(yīng)的物理機制。對比計算了單斜晶相HfO 中Ag摻雜體系、氧空位缺陷體系和Ag及氧空位缺陷共摻雜復(fù)合缺

20、陷體系的能帶、態(tài)密度、分波電荷態(tài)密度面和形成能，結(jié)果表明在相同濃度下Ag摻雜體系能形成導(dǎo)電通道，而氧空位缺陷體系不能形成導(dǎo)電通道；共摻雜體系中其阻變機制以Ag傳導(dǎo)為主，氧空位缺陷為輔，且其形成能變小，體系更加穩(wěn)定。計算共摻雜體系的布居數(shù)和遷移勢壘，得出在氧空位缺陷存在的前提下，AgO鍵長明顯增加，Ag離子的遷移勢壘變小，電化學(xué)性能增強。進一步計算了缺陷問的相互作用能，其值為負，表明缺陷間具有相互締合作用，體系更加穩(wěn)定。 使用基于密度泛函理論(DFT)的第一性原理及VASP軟件包對RRAM 器件進行研究，對離子實和價電子之間的相互作用采用綴加投影波方法(projector augmented w

21、ave，PAW)，電子之間的交換關(guān)聯(lián)勢采用廣義梯度近似(generalized gradient approximation，GGA) 。以單斜晶HfO 載體，先對單胞進行優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造96原子的222超晶胞結(jié)構(gòu)，平面波截斷能設(shè)為400eV，每個原子力的收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置每個原子0.001eV/A。為了證實自己的猜想，研究人員使用了VASP軟件進行了實驗。對離子實和價電子之間的相互作用采用綴加投影波方法。得到實驗數(shù)據(jù)，并對實驗結(jié)果進行科學(xué)的分析與研究證實了紫的猜想八對VASP未來的展望隨著材料科學(xué)研究信息化的不斷發(fā)展，特別是各種數(shù)據(jù)系統(tǒng)的建立，對于VASP應(yīng)用計算集群系統(tǒng)及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施平臺的要求將不斷提高，需要對其進行不斷的優(yōu)化和完善，為實現(xiàn)材料研究的全面信息化的發(fā)展目標(biāo)提供堅實的基礎(chǔ)。隨著VASP軟件包在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用，各類研究機構(gòu)也相應(yīng)地開始越來越多地建設(shè)應(yīng)用計算集群。建設(shè)VASP應(yīng)用計算集群，硬件環(huán)境的建設(shè)固然重要，但是VAS