物理化學(xué)領(lǐng)域高性能計算發(fā)展分析

1、 物理化學(xué)領(lǐng)域高性能計算發(fā)展分析目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc530406924 1 高性能計算的發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc530406924 h 4 HYPERLINK l _Toc530406925 1.1 高性能計算概述 PAGEREF _Toc530406925 h 4 HYPERLINK l _Toc530406926 1.2 高性能計算的應(yīng)用需求 PAGEREF _Toc530406926 h 4 HYPERLINK l _Toc530406927 1.3 國外高性能計算發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc530406927 h 5

2、HYPERLINK l _Toc530406928 1.4 國內(nèi)高性能計算發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc530406928 h 6 HYPERLINK l _Toc530406929 1.5 高性能計算機(jī)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc530406929 h 8 HYPERLINK l _Toc530406930 1.5.1 體系架構(gòu) PAGEREF _Toc530406930 h 8 HYPERLINK l _Toc530406931 1.5.2 處理器 PAGEREF _Toc530406931 h 9 HYPERLINK l _Toc530406932 1.5.3 并行編程

3、模型 PAGEREF _Toc530406932 h 11 HYPERLINK l _Toc530406933 1.5.4 互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) PAGEREF _Toc530406933 h 12 HYPERLINK l _Toc530406934 1.5.5 操作系統(tǒng) PAGEREF _Toc530406934 h 13 HYPERLINK l _Toc530406935 2 物理化學(xué)領(lǐng)域高性能計算發(fā)展現(xiàn)狀及需求分析 PAGEREF _Toc530406935 h 14 HYPERLINK l _Toc530406936 2.1 發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc530406936 h 14 HYPE

4、RLINK l _Toc530406937 2.2 主流計算方法介紹 PAGEREF _Toc530406937 h 16 HYPERLINK l _Toc530406938 2.2.1 第一性原理計算方法 PAGEREF _Toc530406938 h 16 HYPERLINK l _Toc530406939 2.2.2 半經(jīng)驗(yàn)方法 PAGEREF _Toc530406939 h 20 HYPERLINK l _Toc530406940 2.2.3 分子力學(xué)方法 PAGEREF _Toc530406940 h 20 HYPERLINK l _Toc530406941 2.3 主流計算軟件介紹

5、 PAGEREF _Toc530406941 h 21 HYPERLINK l _Toc530406942 2.3.1 Gaussian PAGEREF _Toc530406942 h 21 HYPERLINK l _Toc530406943 2.3.2 VASP PAGEREF _Toc530406943 h 23 HYPERLINK l _Toc530406944 2.3.3 Materials Stuido PAGEREF _Toc530406944 h 24 HYPERLINK l _Toc530406945 2.3.4 ADF PAGEREF _Toc530406945 h 26 H

6、YPERLINK l _Toc530406946 2.3.5 Molpro PAGEREF _Toc530406946 h 26 HYPERLINK l _Toc530406947 2.3.6 MOLCAS PAGEREF _Toc530406947 h 26 HYPERLINK l _Toc530406948 2.3.7 Q-Chem PAGEREF _Toc530406948 h 27 HYPERLINK l _Toc530406949 2.3.8 GAMESS PAGEREF _Toc530406949 h 28 HYPERLINK l _Toc530406950 2.3.9 MPQC

7、PAGEREF _Toc530406950 h 28 HYPERLINK l _Toc530406951 2.3.10 Turbomole PAGEREF _Toc530406951 h 29 HYPERLINK l _Toc530406952 2.3.11 QMCPACK PAGEREF _Toc530406952 h 29 HYPERLINK l _Toc530406953 2.3.12 WIEN2K PAGEREF _Toc530406953 h 29 HYPERLINK l _Toc530406954 2.3.13 ABINIT PAGEREF _Toc530406954 h 30 H

8、YPERLINK l _Toc530406955 2.3.14 Quantum-Espresso PAGEREF _Toc530406955 h 30 HYPERLINK l _Toc530406956 2.3.15 CPMD PAGEREF _Toc530406956 h 31 HYPERLINK l _Toc530406957 2.3.16 NWChem PAGEREF _Toc530406957 h 32 HYPERLINK l _Toc530406958 2.3.17 OCTOPUS PAGEREF _Toc530406958 h 32 HYPERLINK l _Toc53040695

9、9 2.3.18 SIESTA PAGEREF _Toc530406959 h 32 HYPERLINK l _Toc530406960 2.3.19 CP2K PAGEREF _Toc530406960 h 32 HYPERLINK l _Toc530406961 2.3.20 OpenMX PAGEREF _Toc530406961 h 33 HYPERLINK l _Toc530406962 2.3.21 DFTB+ PAGEREF _Toc530406962 h 33 HYPERLINK l _Toc530406963 2.3.22 DACAPO PAGEREF _Toc5304069

10、63 h 33 HYPERLINK l _Toc530406964 2.3.23 GPAW PAGEREF _Toc530406964 h 34 HYPERLINK l _Toc530406965 2.3.24 DL_POLY PAGEREF _Toc530406965 h 34 HYPERLINK l _Toc530406966 2.3.25 NAMD PAGEREF _Toc530406966 h 34 HYPERLINK l _Toc530406967 2.3.26 AMBER PAGEREF _Toc530406967 h 35 HYPERLINK l _Toc530406968 2.

11、3.27 GROMACS PAGEREF _Toc530406968 h 35 HYPERLINK l _Toc530406969 2.3.28 CHARMM PAGEREF _Toc530406969 h 35 HYPERLINK l _Toc530406970 2.3.29 LAMMPS PAGEREF _Toc530406970 h 35 HYPERLINK l _Toc530406971 2.4 主要晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測軟件介紹 PAGEREF _Toc530406971 h 36 HYPERLINK l _Toc530406972 2.5 資源需求分析 PAGEREF _Toc5304069

12、72 h 37 HYPERLINK l _Toc530406973 2.5.1 計算資源需求 PAGEREF _Toc530406973 h 38 HYPERLINK l _Toc530406974 2.5.2 內(nèi)存需求 PAGEREF _Toc530406974 h 42 HYPERLINK l _Toc530406975 2.5.3 網(wǎng)絡(luò)需求 PAGEREF _Toc530406975 h 44 HYPERLINK l _Toc530406976 2.5.4 存儲需求 PAGEREF _Toc530406976 h 45 HYPERLINK l _Toc530406977 2.5.5 基礎(chǔ)

13、軟件環(huán)境需求 PAGEREF _Toc530406977 h 46 HYPERLINK l _Toc530406978 2.5.6 可視化需求 PAGEREF _Toc530406978 h 48高性能計算的發(fā)展現(xiàn)狀高性能計算概述高性能計算（High Performance Computing，簡稱HPC）是計算機(jī)科學(xué)的一個分支，研究并行算法和開發(fā)相關(guān)軟件，致力于開發(fā)高性能計算機(jī)（High Performance Computer），滿足科學(xué)計算、工程計算、海量數(shù)據(jù)處理等需要。自從1946年設(shè)計用于導(dǎo)彈彈道計算的世界上第一臺現(xiàn)代計算機(jī)誕生開始，計算技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ嬎銠C(jī)的處理

14、能力需求越來越高，這也促使了高性能計算機(jī)和高性能計算技術(shù)不斷向前發(fā)展。隨著信息化社會的飛速發(fā)展，人類對信息處理能力的要求越來越高，不僅石油勘探、氣象預(yù)報、航天國防、科學(xué)研究等需求高性能計算機(jī)，而金融、政府信息化、教育、企業(yè)、網(wǎng)絡(luò)游戲等更廣泛的領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苡嬎愕男枨笠惭该驮鲩L。高性能計算的應(yīng)用需求應(yīng)用需求是高性能計算技術(shù)發(fā)展的根本動力。傳統(tǒng)的高性能計算應(yīng)用領(lǐng)域包括：量子化學(xué)、分子模擬、氣象預(yù)報、天氣研究、油氣勘探、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、核反應(yīng)等。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步，科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防安全等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苡嬎阍O(shè)施及環(huán)境提出了越來越高的需求，不僅高性能計算的應(yīng)用需求急劇增大，而且應(yīng)用范圍從傳統(tǒng)

15、領(lǐng)域不斷擴(kuò)大到資源環(huán)境、航空航天、新材料、新能源、醫(yī)療衛(wèi)生、金融、互聯(lián)網(wǎng)、文化產(chǎn)業(yè)等經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的眾多領(lǐng)域。當(dāng)前，世界和中國面臨諸多重大挑戰(zhàn)性問題。比如，全球氣候出現(xiàn)快速增溫的事實(shí)使“應(yīng)對氣候變化”成為各國政治、經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重大課題，為了進(jìn)一步消減“溫室效應(yīng)”和減少碳排放，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的低碳經(jīng)濟(jì)，新材料的發(fā)現(xiàn)、設(shè)計與應(yīng)用迫在眉睫；隨著化石能源的日益枯竭和環(huán)境的日趨惡化，新能源的開發(fā)勢在必行；隨著科技的發(fā)展，人類邁向太空的腳步逐漸加快，空間資源的爭奪和戰(zhàn)略性部署竟然愈發(fā)激烈，航空航天領(lǐng)域作為此項(xiàng)重大科研技術(shù)活動的基礎(chǔ)支撐，投入將持續(xù)擴(kuò)大；為了攻克重大疾病、進(jìn)一步提高人口健康質(zhì)量，生命科學(xué)

16、與新藥制造已成為技術(shù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)投入的重要增長點(diǎn)；隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，借助海量數(shù)據(jù)與高性能計算的力量使得人工智能研究不斷取得新的突破，各大互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)對高性能計算的投入將持續(xù)增加；在國際競爭的大環(huán)境下，基礎(chǔ)科研實(shí)力是高新技術(shù)發(fā)展的重要源泉，是未來科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在動力，也是實(shí)現(xiàn)國家經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展的重要途徑，基礎(chǔ)科學(xué)研究的投入也將持續(xù)增長。解決上述關(guān)系國家戰(zhàn)略和國計民生的重大挑戰(zhàn)性問題都離不開高性能計算的強(qiáng)力支撐，可以預(yù)見在戰(zhàn)略層面，各國對高性能計算的投入會持續(xù)增長，而中國將更加發(fā)力；在技術(shù)層面上，高性能計算的應(yīng)用范圍將越來越廣，反過來應(yīng)用需求也將催生高性能計算新技術(shù)的誕生與發(fā)展

17、。圖：全球HPC TOP500統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示高性能計算能力成倍增長國外高性能計算發(fā)展現(xiàn)狀高性能計算作為國家實(shí)力的重要體現(xiàn)，是一個國家最尖端的信息技術(shù)綜合體。發(fā)達(dá)國家政府（美日歐）普遍將高性能計算作為國家戰(zhàn)略，給予高度重視并進(jìn)行持續(xù)投入。美國是世界上最重視高性能計算、投入最多、受益最大的國家。近數(shù)十年來，美國政府持續(xù)實(shí)施了SCP（戰(zhàn)略計算機(jī)計劃）、HPCC（高性能計算和通信）、ASCI（加速戰(zhàn)略計算）、ASC（先進(jìn)模擬和計算）、HPCS（高生產(chǎn)率計算機(jī)）等多個國家計劃，從而確保了美國在高性能計算領(lǐng)域長期處于領(lǐng)先地位。2015年7月，美國政府提出了建立“國家戰(zhàn)略計算項(xiàng)目”(NSCI)，目的是創(chuàng)建美國

18、高性能計算的研發(fā)地位，研制世界上第一臺百億億次計算系統(tǒng)，此舉的目標(biāo)就是奪回2013年以來被中國奪走的計算速度頭名的寶座。2015年6月統(tǒng)計的全球性能最高的500臺高性能計算機(jī)有233臺安裝在美國，其中性能最高的10臺計算機(jī)中有5臺部署于美國。美國在高性能計算領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢十分明顯，為美國在科技創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面處于世界領(lǐng)先地位做出了重大貢獻(xiàn)。當(dāng)前，美國政府仍在繼續(xù)加強(qiáng)其在高性能計算領(lǐng)域的研發(fā)投入。正在實(shí)施的UHPC（普適高性能計算）計劃，目標(biāo)是研究革命性的設(shè)計方法來滿足不斷增長的國防應(yīng)用對高性能計算的需求，包括開發(fā)超高并發(fā)性的高性能計算機(jī)、有效提升系統(tǒng)能效比、簡化并行應(yīng)用設(shè)計方法和提升應(yīng)用的容

19、錯能力等，為實(shí)現(xiàn)百億億次（ExaFlops）計算奠定基礎(chǔ)。日本一直以來位列高性能計算大國，與美國類似，日本政府非常重視高性能計算技術(shù)，不斷加強(qiáng)其在高性能計算領(lǐng)域的研發(fā)投入。早在1990年，日本NEC公司研制的SX-3/44R系統(tǒng)就成為當(dāng)時全球速度最快的高性能計算機(jī)。之后的1993年，F(xiàn)ujitsu公司開發(fā)的“數(shù)值風(fēng)洞”系統(tǒng)，以及2004年NEC的“地球模擬器”再次位列全球第一。在2015年6月統(tǒng)計的全球TOP 500高性能計算機(jī)中，日本占據(jù)40席，其中Fujitsu公司研制的“K計算機(jī)”位列世界第四，“K計算機(jī)”將落戶日本理化學(xué)研究所（RIKEN），服務(wù)于物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、材料、能源等領(lǐng)

20、域科學(xué)研究。此外，日本正在進(jìn)行Exascale Supercomputer Project（E級高性能計算）項(xiàng)目，該項(xiàng)目目標(biāo)是建設(shè)E級的高性能計算與軟件系統(tǒng)的來替換現(xiàn)有的“K計算機(jī)”，該系統(tǒng)將服務(wù)于未來日本科學(xué)技術(shù)研究如藥物設(shè)計、地震影響研究等。歐洲也一直是高性能計算的活躍區(qū)域。2002年，7個歐洲國家的11個高性能計算中心就聯(lián)合發(fā)起DEISA項(xiàng)目，旨在建立泛歐洲的高性能計算基礎(chǔ)設(shè)施。在2015年6月統(tǒng)計的全球TOP 500高性能計算機(jī)中，歐洲占據(jù)了28%的席位。面向百億億次（ExaFlops）計算需求，歐洲提出了EESI和MareIncognito超算計劃，主要從并行編程模型和和應(yīng)用算法方面

21、突破百億億次級計算的關(guān)鍵技術(shù)，包括編程模型、負(fù)載均衡技術(shù)、微處理器/結(jié)點(diǎn)技術(shù)、性能分析工具、互連技術(shù)和高性能應(yīng)用等。國內(nèi)高性能計算發(fā)展現(xiàn)狀“九五”以來，在國家及相關(guān)政府的持續(xù)支持和IT企業(yè)的積極參與下，我國高性能計算機(jī)有了長足的發(fā)展，研制隊伍不斷發(fā)展和壯大，主要的研制單位有：國家并行計算機(jī)工程技術(shù)研究中心、中科院計算技術(shù)研究所國家智能中心、國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院、公司等，是數(shù)十年積聚起來的我國高性能計算機(jī)技術(shù)研發(fā)的中堅力量。“十一五”期間，在國家863計劃“高效能計算機(jī)及網(wǎng)格服務(wù)環(huán)境”重大項(xiàng)目的支持下，我國先后研制成功若干臺百萬億次和千萬億次超級計算機(jī)系統(tǒng)。2008年，聯(lián)想公司和公司分別研制成

22、功“深騰7000”和“5000”百萬億次計算機(jī)；2009年，國防科技大學(xué)研制成功“天河一號”千萬億次計算機(jī)，使我國成為繼美國之后世界上第二個研制成功千萬億次計算機(jī)的國家；2010年6月，公司研制成功“星云”千萬億次計算機(jī)，性能列世界TOP500第二位。2010年11月，升級后的“天河-1A”系統(tǒng)創(chuàng)造了超級計算機(jī)全球排名第一的最好成績?；谧灾鰿PU芯片研制超級計算機(jī)也取得了重大突破，神威藍(lán)光于2010年底成為第一個全部采用國產(chǎn)CPU實(shí)現(xiàn)的千萬億次超級計算機(jī)。進(jìn)入“十二五”以來，我國的超級計算機(jī)研制繼續(xù)發(fā)展，天河2號連續(xù)四次位居TOP500第一名。預(yù)計到“十二五”末，我國還將推出2套峰值性能超過

23、10億億次（100PFLOPS）的超級計算機(jī)系統(tǒng)，有望繼續(xù)在TOP500排行榜中名列前茅。在2013年國務(wù)院發(fā)布的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長期規(guī)劃(2012-2030年)中，多個基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)都離不開高性能計算系統(tǒng)如海底科學(xué)觀測網(wǎng)、轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究設(shè)施。其中，地球系統(tǒng)數(shù)值模擬器通過超級計算及存儲專用系統(tǒng)的建設(shè)，并結(jié)合超級模擬支撐與管理軟件系統(tǒng)、地球各層圈過程模擬軟件系統(tǒng)等來實(shí)現(xiàn)模擬地球系統(tǒng)圈層變化和長期氣候變化，精細(xì)描述和預(yù)測地球物理化學(xué)及生物過程，提高我國地球系統(tǒng)模擬的整體能力和重大自然災(zāi)害預(yù)測預(yù)警、氣候變化預(yù)估的研究水平。圖：TOP500系統(tǒng)國家分布?xì)v史統(tǒng)計我國在高性能計算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)的基礎(chǔ)性

24、支撐技術(shù)方面也有了很大進(jìn)步。在處理器方面，國內(nèi)自主研制的“龍芯”、“神威”、“飛騰”等系列的多核處理器方面已有所突破，相關(guān)的生態(tài)環(huán)境正在逐步完善；在異構(gòu)協(xié)同與并行優(yōu)化方面，國內(nèi)在CPU/GPU混合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究，比如生命科學(xué)領(lǐng)域的基因比對、分子動力學(xué)、電鏡數(shù)據(jù)處理石油勘探領(lǐng)域的電子斷層三維重構(gòu)、疊前時間偏移、深度學(xué)習(xí)等方面均取得突破。在系統(tǒng)軟件及環(huán)境方面，國內(nèi)在大規(guī)模異構(gòu)系統(tǒng)的管理和監(jiān)控、大規(guī)模系統(tǒng)的快速部署以及高效系統(tǒng)虛擬化等關(guān)鍵技術(shù)上也取得了很大進(jìn)展?！笆晃濉逼陂g，在國家863計劃“高效能計算機(jī)及網(wǎng)格服務(wù)環(huán)境”重大項(xiàng)目的支持下，成功開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中國國家網(wǎng)格軟件GOS（Grid

25、Operating System），突破了廣域資源共享和協(xié)同工作的關(guān)鍵技術(shù)，其功能和性能已達(dá)到并超越國際同類軟件水平。此外，863計劃還先后重點(diǎn)支持了化學(xué)、天文、氣象、生物醫(yī)藥、流體、激光聚變、大飛機(jī)、石油勘探地震成像等領(lǐng)域的高性能計算應(yīng)用，形成了若干可利用上千以上的處理器核進(jìn)行計算模擬的應(yīng)用實(shí)例。高性能計算機(jī)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀體系架構(gòu)作為高性能計算基礎(chǔ)設(shè)施的核心，現(xiàn)代高性能計算機(jī)的發(fā)展從20世紀(jì)70年代的向量計算機(jī)開始，也已經(jīng)有了幾十年的發(fā)展歷程。先后出現(xiàn)了向量機(jī)、多處理器并行向量機(jī)、MPP大規(guī)模并行處理機(jī)、SMP對稱多處理機(jī)、DSM分布式共享存儲計算機(jī)、Constellation星群系統(tǒng)、C

26、luster集群系統(tǒng)、混和系統(tǒng)等多種主體的體系架構(gòu)，并分別在不同的時期占據(jù)著應(yīng)用的主流。其中，計算機(jī)集群（簡稱集群、Cluster）是一種計算機(jī)系統(tǒng)，它通過一組松散集成的計算機(jī)軟件和/或硬件連接起來高度緊密地協(xié)作完成計算工作。在某種意義上，他們可以被看作是一臺計算機(jī)。集群系統(tǒng)中的單個計算機(jī)通常稱為節(jié)點(diǎn)，通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接。高性能計算集群采用將計算任務(wù)分配到集群的不同計算節(jié)點(diǎn)而提高計算能力。比較流行的高性能計算集群采用Linux操作系統(tǒng)和其它一些標(biāo)準(zhǔn)軟件來完成并行運(yùn)算，這一集群配置通常被稱為Beowulf集群。這類集群通常運(yùn)行特定的程序以發(fā)揮高性能計算集群的并行能力，這類程序一般使用特定的運(yùn)行庫，

27、比如MPI等。相比于MPP等一些專有高性能計算系統(tǒng)，集群系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，包括：集群的標(biāo)準(zhǔn)化程度高高性能計算集群一般都是采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的硬件和軟件系統(tǒng)，比如采用標(biāo)準(zhǔn)的x86架構(gòu)處理器；工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，比如InfiniBand、萬兆網(wǎng)絡(luò)等；通用的Linux操作系統(tǒng)；通用的并行編程標(biāo)準(zhǔn)和模型；通用的作業(yè)分發(fā)調(diào)度系統(tǒng)等。靈活性、可擴(kuò)展性好集群是一個松散的架構(gòu)，由計算節(jié)點(diǎn)通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接而成，一個集群可以方便地進(jìn)行擴(kuò)展；同樣的，一個集群也可以靈活的進(jìn)行物理或邏輯上的拆分。MPP等一些專有定制系統(tǒng)就很難做到這樣的靈活可擴(kuò)展性。性能高集群單個計算節(jié)點(diǎn)性能在不斷提升、集群互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅猛、集群可擴(kuò)展

28、性也越來越好、集群的并行編程技術(shù)不斷進(jìn)步，集群已經(jīng)成為高性能計算的代名詞。性價比高由于集群采用的是標(biāo)準(zhǔn)化的軟硬件系統(tǒng)，采用的是大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的設(shè)備部件，可以極大程度降低高性能計算系統(tǒng)的建設(shè)成本，相應(yīng)的，集群的運(yùn)維和維護(hù)成本也要小很多。投資風(fēng)險小集群技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，其硬件和軟件技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，建設(shè)和維護(hù)需要的設(shè)備器件有充足的市場保障；絕大部分高性能計算應(yīng)用在集群架構(gòu)上開發(fā)和調(diào)試，應(yīng)用支持程度高，可以確保高性能計算平臺的建設(shè)成功。正是因?yàn)榫哂械倪@些優(yōu)勢，集群在高性能計算領(lǐng)域發(fā)展迅猛，目前已經(jīng)成為高性能計算的主流架構(gòu)。從2012年起，TOP500榜單中關(guān)于體系架構(gòu)就只剩下Cluster和

29、MPP兩位角色，其中Cluster一直占據(jù)超過80的裝機(jī)份額，在中小規(guī)模高性能計算系統(tǒng)中更是占統(tǒng)治地位。圖：TOP500中體系架構(gòu)份額歷史統(tǒng)計處理器處理器是高性能計算機(jī)的核心，很大程度上決定了高性能計算機(jī)的計算性能。隨著x86處理器在PC消費(fèi)級市場的繁榮，其觸角逐漸延伸到高性能計算領(lǐng)域。另一方面，隨著開放式集群架構(gòu)在高性能計算領(lǐng)域的統(tǒng)治地位確立，市場占有率大、性價比高的x86處理器也成為自然合理的選擇。自2000年開始，Intel和AMD的x86處理器在高性能計算市場占有率迅速擴(kuò)大，逐漸蠶食掉了Alpha、MIPS、Power、SPARC、PA-RISC等RISC處理器的市場。2015年6月發(fā)

30、布的TOP500榜單中，共有427臺系統(tǒng)（占比85.4）采用Intel處理器，其中僅Intel Xeon處理器E5家族就貢獻(xiàn)了80，令其他廠商望塵莫及。IBM Power處理器的份額穩(wěn)定在35臺，占比7；AMD Opteron家族的占有量是20臺（占比4）。從處理器多核角度來看，目前有96的系統(tǒng)采用6核及以上核心，85的系統(tǒng)采用8核及以上核心，39的系統(tǒng)采用10核及以上核心。從趨勢來看，雖然8核仍是HPC系統(tǒng)的主流配置但應(yīng)用逐步收窄，而10核和12核處理器的市場份額將會進(jìn)一步擴(kuò)大。圖：TOP500中處理器份額歷史統(tǒng)計此外，隨著GPU、Intel MIC、FPGA等加速器/協(xié)處理器的出現(xiàn)，CPU

31、不再是高性能計算領(lǐng)域計算單元的唯一選擇。相比于CPU，這些協(xié)處理器的浮點(diǎn)運(yùn)算能力更強(qiáng)、任務(wù)處理模式更簡單，非常適合部分高性能計算應(yīng)用。使用協(xié)處理器可以大大提升高性能計算機(jī)的計算性能，分擔(dān)CPU的處理負(fù)載。全球HPC TOP500中協(xié)處理器的使用越來越多，其中包括2015年6月連續(xù)四次蟬聯(lián)TOP500第一的天河二號，2012年11月TOP500全球第一的Titan，2010年11月全球第一的天河-1A，以及2010年6月全球第二的星云系統(tǒng)。在協(xié)處理器的市場份額中，Nvidia GPU占據(jù)主導(dǎo)，AMD ATI GPU也有一定市場， Intel MIC（Xeon Phi）增長迅速，以PEZY-SC為

32、代表的其它類型協(xié)處理器在高性能計算中嶄露頭角。另外，以FPGA為代表的可定制化的SOC具有浮點(diǎn)計算能力強(qiáng)、整體功耗低的特點(diǎn)，未來會快速增長。圖：TOP500中使用協(xié)處理器的系統(tǒng)越來越多并行編程模型現(xiàn)代高性能計算機(jī)都是并行計算機(jī)，通過并行計算，降低單個任務(wù)的計算時間、提高任務(wù)的求解精度、或者擴(kuò)大問題的處理規(guī)模，這些都是高性能計算機(jī)的根本目標(biāo)，也是高性能計算技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動力。高性能計算機(jī)上的并行編程模型與計算機(jī)體系架構(gòu)緊密相關(guān)。當(dāng)前主流的并行編程模型與主流的高性能計算集群架構(gòu)相匹配。從進(jìn)程或線程的交互方式角度劃分，并行編程模型主要有共享內(nèi)存編程模型（Share Memory）和消息傳遞編程模型（M

33、essage Passing）。共享內(nèi)存編程模型一般應(yīng)用在共享內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)上，比如SMP、DSM、NUMA。它具有單地址空間，線程級并行，主要實(shí)現(xiàn)有OpenMP和Pthreads。共享內(nèi)存編程模型具有并行效率高、編程容易（特別是采用編譯制導(dǎo)的OpenMP模型）等優(yōu)點(diǎn)，但它的可移植性和可擴(kuò)展性不好。當(dāng)前高性能計算集群架構(gòu)的計算節(jié)點(diǎn)通常都是采用多路多核架構(gòu)，計算節(jié)點(diǎn)本身為SMP或NUMA結(jié)構(gòu)。因此，共享內(nèi)存編程模型可以在單個集群計算節(jié)點(diǎn)內(nèi)實(shí)現(xiàn)并行計算。消息傳遞編程模型是分布式內(nèi)存編程模型的一種，主要應(yīng)用在分布式內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)下，以早期的PVM（Parallel Virtual Machine）和目前

34、主流的MPI（Message Passing Interface）為代表。傳遞編程模型的特點(diǎn)是多地址空間、進(jìn)程級并行、編程相對困難、可移植性好、可擴(kuò)展性好。可以廣泛應(yīng)用在高性能集群體系架構(gòu)上，可以實(shí)現(xiàn)集群跨節(jié)點(diǎn)并行計算。當(dāng)前高性能集群的多層次結(jié)構(gòu)，使得集群系統(tǒng)同時具備了共享內(nèi)存和分布式共享內(nèi)存兩種體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)代集群多級并行結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，很自然地考慮到可以將共享內(nèi)存編程模型與分布式內(nèi)存編程模型相結(jié)合。因此，MPI+OpenMP的混合編程模型得到了廣泛的應(yīng)用。混合編程模型提供了節(jié)點(diǎn)間和節(jié)點(diǎn)內(nèi)的兩級并行機(jī)制，它的優(yōu)勢在于結(jié)合了進(jìn)程級的粗粒度并行（例如區(qū)域分解）和線程級的細(xì)粒度并行（如循環(huán)并行

35、）的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐證明，在很多情況下，其執(zhí)行效率和可擴(kuò)展性高于純MPI和OpenMP程序。互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)高性能計算集群是一個通過內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將松散的計算節(jié)點(diǎn)有效整合起來的系統(tǒng)架構(gòu)，內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是高性能計算集群的核心技術(shù)之一。集群系統(tǒng)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)主要用于以MPI為代表的并行計算程序節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信，即作為計算網(wǎng)絡(luò)使用。不同計算方法和計算程序的數(shù)據(jù)通信特征不盡相同，從類型看，有的數(shù)據(jù)交換以小數(shù)據(jù)包為主，有的大數(shù)據(jù)包交換較多。小數(shù)據(jù)包交換較多時，計算性能和效率對計算網(wǎng)絡(luò)的延遲非常敏感，大數(shù)據(jù)包交換較多時，計算網(wǎng)絡(luò)的帶寬有關(guān)鍵性影響；從數(shù)據(jù)通信的頻率看，有的計算方法和程序數(shù)據(jù)通信不頻繁，對計算網(wǎng)絡(luò)的性能要求

36、不高，有的數(shù)據(jù)通信密集，對計算網(wǎng)絡(luò)的性能要求很高?？偟膩碚f，高性能計算機(jī)計算網(wǎng)絡(luò)的性能對并行計算程序的并行加速比和并行擴(kuò)展性有重要的影響。計算網(wǎng)絡(luò)需要有高帶寬、低延遲的特點(diǎn)。與MPP等體系架構(gòu)一般使用高度定制化的私有內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)不同，高性能計算集群系統(tǒng)一般采用標(biāo)準(zhǔn)通用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和設(shè)備，比如以太網(wǎng)絡(luò)、Quadrics、Myrinet、InfiniBand。其中，千兆/萬兆以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展成熟、通用性好，目前仍占有一部分市場份額；Quadrics和Myrinet在與InfiniBand的競爭中敗下陣來，目前已基本在市場上消失，而InfiniBand已經(jīng)成為通用高速網(wǎng)絡(luò)的代名詞，在高性能計算領(lǐng)域的市場份

37、額逐年擴(kuò)大，已經(jīng)成為市場主流，特別是在大型、高端計算系統(tǒng)，InfiniBand幾乎成為標(biāo)配。2015年6月發(fā)布的TOP500榜單中，就系統(tǒng)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)而言，InfiniBand技術(shù)已被TOP500中的249臺系統(tǒng)所采用（占比49.8），是TOP500中使用最廣的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)。圖：TOP500中互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)份額歷史統(tǒng)計操作系統(tǒng)早期高性能計算機(jī)硬件體系架構(gòu)主要以MPP等封閉系統(tǒng)為主，操作系統(tǒng)一般為配套專用的Unix操作系統(tǒng)。隨著開放標(biāo)準(zhǔn)的集群架構(gòu)逐漸興起，以及同樣開放的Linux操作系統(tǒng)逐漸成熟，Linux操作系統(tǒng)被逐漸成為高性能計算機(jī)的主流。Linux的操作系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全、可靠、高效率、多用戶

38、、開源等特征，尤其其多用戶的特征，非常適合高性能計算機(jī)的使用模式。2015年6月發(fā)布的TOP500榜單中，各種Linux操作系統(tǒng)裝載在多達(dá)472臺HPC系統(tǒng)上，占比高達(dá)94.4，走向沒落的Unix此次仍頑強(qiáng)地維持著2的份額。圖：TOP500中操作系統(tǒng)份額歷史統(tǒng)計物理化學(xué)領(lǐng)域高性能計算發(fā)展現(xiàn)狀及需求分析發(fā)展現(xiàn)狀在當(dāng)今的科學(xué)研究中，計算已和實(shí)驗(yàn)、理論并列為三大科學(xué)方法。隨著計算技術(shù)的迅猛發(fā)展、科學(xué)理論模型日漸成熟，高性能計算在科學(xué)、工程和社會等領(lǐng)域都有了廣泛應(yīng)用，用它來模擬或代替實(shí)驗(yàn)已成為可能。在地球地質(zhì)、氣象氣候、測繪科學(xué)、天體空間物理、凝聚態(tài)物理、高能物理、計算化學(xué)、分子生物學(xué)、基因測序、材料

39、科學(xué)等領(lǐng)域，高性能計算已是必備的研究手段。特別在物理、化學(xué)、材料、生物等相關(guān)學(xué)科中，根據(jù)目前理論發(fā)展的基礎(chǔ)，利用高性能計算可以觀察到比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更細(xì)致的層次，或者對目前比較昂貴或無法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)觀測進(jìn)行理論模擬，從而幫助解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，理解自然規(guī)律，進(jìn)一步指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)過程。高性能計算還有助于建立新的理論。圖：計算模擬將在科研、生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用物理化學(xué)領(lǐng)域中的理論模型及計算方法經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，隨著高性能計算機(jī)和高性能計算技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及計算程序編程模型等方面的革新，計算模擬的威力越來越強(qiáng)，重要性越來越高，應(yīng)用范圍越來越廣，需求越來越多。物理化學(xué)領(lǐng)域中的計算方法和計算程序不僅在

40、物理、化學(xué)的各個子學(xué)科中有著廣泛的應(yīng)用，還延伸覆蓋到材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等其它相關(guān)學(xué)科，并廣泛應(yīng)用于能源、醫(yī)藥、石油化工、食品、建筑等應(yīng)用行業(yè)中。物理、化學(xué)及相關(guān)學(xué)科是高性能計算的傳統(tǒng)需求大戶，粗略統(tǒng)計全球接近半數(shù)的高性能計算資源服務(wù)于物理、化學(xué)及相關(guān)學(xué)科。下圖是上海超級計算中心的計算資源在各學(xué)科的最新統(tǒng)計分布情況，物理、化學(xué)、材料科學(xué)的比重達(dá)到60%，此外，分子生物科學(xué)占據(jù)13%，其中有一定比例是基于物理化學(xué)領(lǐng)域的計算方法。圖：上海超級計算中心計算資源在各學(xué)科的分布物理化學(xué)領(lǐng)域計算模擬的可研究對象范圍非常廣，從原子、單分子到分子團(tuán)簇、生物大分子、納米材料、高分子材料、介觀尺度粒子，空

41、間尺度可以從皮米跨度到微米，時間尺度可以從阿秒到數(shù)百年，物相從氣相到凝聚態(tài)。計算模擬可以研究物質(zhì)的熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)、力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)等性質(zhì)，可以研究化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理，可以研究紅外、紫外、熒光、核磁、 X射線等光譜性質(zhì)，在分子生物學(xué)層次研究病理、毒理，可以研究物質(zhì)的相變、擴(kuò)散、吸附等等。物理化學(xué)領(lǐng)域的計算模擬不僅僅局限于科學(xué)技術(shù)研究，而且已經(jīng)滲透和應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)和民生生活的各個層面，比如傳統(tǒng)的冶金、石油、煤炭、化工，航天航空、船舶工業(yè)，新材料、新能源的研制開發(fā)，藥物設(shè)計，醫(yī)學(xué)治療，食品安全，環(huán)境控制等等。圖：物理化學(xué)計算模擬對象的空間和時間尺度物理化學(xué)領(lǐng)域的計算方法和計算程序種類繁多，具有各自的

42、特點(diǎn)和適用范圍。比如在原子分子層次，量子力學(xué)效應(yīng)顯著，基于量子力學(xué)的第一性原理的計算方法比較適用；在納米到微米尺度，分子力學(xué)和分子動力學(xué)是常用的研究方法；在介觀尺度層面，Monte Carlo方法是研究材料隨機(jī)性問題最有效的方法；在宏觀尺度層面，有限元方法則是研究宏觀尺度問題的重要方法，主要研究材料在多場（環(huán)境）作用下的響應(yīng)，是材料功能研究的主要工具。此外，過去幾年材料模擬由單純的計算和工具研發(fā)，向著新材料設(shè)計穩(wěn)步發(fā)展，不斷融合前沿技術(shù)，如高性能計算、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘，以及晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測技術(shù)。在國際材料基因組計劃、集成計算材料工程和大數(shù)據(jù)工程等重大項(xiàng)目的推動下，物理化學(xué)領(lǐng)域的高性能計算逐步進(jìn)入

43、產(chǎn)業(yè)革新時期。主流計算方法介紹圖：物理化學(xué)計算模擬對象的空間和時間尺度第一性原理計算方法第一性原理方法(Ab initio Methods)，也稱為從頭算方法，常指基于量子力學(xué)理論，完全由理論推導(dǎo)和計算而得，不使用基本物理常數(shù)和原子量以外的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、以及經(jīng)驗(yàn)或者半經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的求解薛定諤方程的方法。但大多數(shù)情況下這些第一性原理方法也包括一定的近似，而這些近似常由基本數(shù)學(xué)推導(dǎo)產(chǎn)生，例如換用更簡單的函數(shù)形式或采用近似的積分方法。大多數(shù)第一原理方法使用波恩-奧本海默近似，將電子運(yùn)動和原子核運(yùn)動分離以簡化薛定諤方程。在核不動近似下處理電子運(yùn)動稱為電子結(jié)構(gòu)計算，處理原子核運(yùn)動稱為動力學(xué)計算。電子結(jié)構(gòu)計算通過

44、求解定態(tài)薛定諤方程（也成為不含時薛定諤方程）得到。主流的電子結(jié)構(gòu)計算方法包括Hartree-Fock方法、量子蒙特卡洛（QMC）、密度泛函方法（DFT）等。Hartree-Fock HYPERLINK /wiki/Hartree-Fock%E6%96%B9%E7%A8%8B o Hartree-Fock方程 Hartree-Fock是最常見的一種 HYPERLINK /w/index.php?title=%E7%AC%AC%E4%B8%80%E5%8E%9F%E7%90%86&action=edit&redlink=1 o 第一原理（頁面不存在） 第一性原理電子結(jié)構(gòu)計算方法，常用于處理非周期性

45、結(jié)構(gòu)的分子體系的電子結(jié)構(gòu)計算。求解過程常使用原子軌道線性組合 (LCAO)得到的基組來進(jìn)行近似。通過這種近似，薛定諤方程可以轉(zhuǎn)化為一個“簡單”的電子哈密頓量的本征值方程。該方程的解為離散集。解得的本征值是分子結(jié)構(gòu)的函數(shù)。在Hartree-Fock近似中，每個電子在其余電子的平均勢中運(yùn)動，但是不知道這些電子的位置。當(dāng)電子離得很近時，即使是用平均方法考慮電子間的庫侖相互作用，電子也不能相互避開，因此在Hartree-Fock中高估了電子排斥。 HYPERLINK /wiki/Hartree-Fock%E6%96%B9%E7%A8%8B o Hartree-Fock方程 Hartree-Fock方程

46、需采用 HYPERLINK /wiki/%E5%8F%98%E5%88%86%E6%B3%95 o 變分法 變分法求解，所得的近似能量永遠(yuǎn)等于或高于真實(shí)能量，隨著基函數(shù)的增加，Hartree-Fock能量無限趨近于 HYPERLINK /w/index.php?title=Hartree-Fock%E6%9E%81%E9%99%90&action=edit&redlink=1 o Hartree-Fock極限（頁面不存在） Hartree-Fock極限能。由于Hartree-Fock方法高估了電子相關(guān)作用，計算結(jié)果不太準(zhǔn)確，后來又出現(xiàn)了很多計算方法，先進(jìn)行Hartree-Fock計算，隨后對電

47、子的瞬時相關(guān)對此進(jìn)行修正。相應(yīng)能量的降低稱為 HYPERLINK /w/index.php?title=%E7%94%B5%E5%AD%90%E7%9B%B8%E5%85%B3&action=edit&redlink=1 o 電子相關(guān)（頁面不存在） 電子相關(guān)能。這些方法稱為 HYPERLINK /w/index.php?title=%E5%90%8EHartree-Fock%E6%96%B9%E6%B3%95&action=edit&redlink=1 o 后Hartree-Fock方法（頁面不存在） 后Hartree-Fock方法，包括 HYPERLINK /wiki/%E5%A4%9A%E

48、4%BD%93%E5%BE%AE%E6%89%B0%E7%90%86%E8%AE%BA o 多體微擾理論 多體微擾理論、多組態(tài)自洽場方法 (MCSCF) 、組態(tài)相互作用（CI）、 HYPERLINK /wiki/%E5%A4%9A%E5%8F%82%E8%80%83%E6%80%81%E7%BB%84%E6%80%81%E7%9B%B8%E4%BA%92%E4%BD%9C%E7%94%A8%E6%96%B9%E6%B3%95 o 多參考態(tài)組態(tài)相互作用方法 多參考態(tài)組態(tài)相互作用方法 (MRCI) 、二次組態(tài)相互作用 (QCI) 、 HYPERLINK /wiki/%E8%80%A6%E5%90%

49、88%E7%B0%87%E7%90%86%E8%AE%BA o 耦合簇理論 耦合簇理論 (Coupled Cluster) 等。量子蒙特卡洛在Hartree-Fock理論中，很重要的一項(xiàng)誤差就是在Hartree-Fock理論中，電子之間的關(guān)聯(lián)項(xiàng)被全部忽略了。這其中的原因是因?yàn)槲覀儗Ⅲw系的基態(tài)波函數(shù)近似為單行列式的形式，電子所感受到的是平均場的作用，這使得我們可以將多體的波函數(shù)分解成為單電子波函數(shù)簡化計算。如果我們用無窮多個行列式的組合作為基函數(shù)，則理論上也可以得到精確的基態(tài)能量，這恰恰就是全組態(tài)相互作用的基本原理。而量子蒙特卡羅（Quantum Monte Carlo）則從一個全新的角度考慮問

50、題。在量子蒙特卡羅中，體系的基態(tài)波函數(shù)顯式地寫成關(guān)聯(lián)的波函數(shù)，也就是說波函數(shù)是電子-電子之間距離的顯式函數(shù)。量子蒙特卡羅采用蒙特卡羅方法對積分進(jìn)行數(shù)值解析。量子蒙特卡羅計算非常耗時，但卻可能是目前精確度最高的第一性原理計算方法。密度泛函理論密度泛函理論（DFT）是一種研究多 HYPERLINK /view/3476.htm t _blank 電子體系電子結(jié)構(gòu)的 HYPERLINK /view/2785.htm t _blank 量子力學(xué)方法。密度泛函理論在物理和化學(xué)上都有廣泛的應(yīng)用，適用于非周期性結(jié)構(gòu)的 HYPERLINK /view/25255.htm t _blank 分子系統(tǒng)和周期性結(jié)構(gòu)

51、的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，是凝聚態(tài)物理和 HYPERLINK /view/38602.htm t _blank 計算化學(xué)領(lǐng)域最常用的方法之一。電子結(jié)構(gòu)理論的經(jīng)典方法，特別是Hartree-Fock方法和后Hartree-Fock方法，是基于復(fù)雜的多電子 HYPERLINK /view/24951.htm t _blank 波函數(shù)的。密度泛函理論的主要目標(biāo)就是用 HYPERLINK /view/818948.htm t _blank 電子密度取代波函數(shù)做為研究的基本量。因?yàn)槎嚯娮硬ê瘮?shù)有 3N 個變量（N 為電子數(shù)，每個電子包含三個空間變量），而電子密度僅是三個變量的函數(shù)，無論在概念上還是實(shí)際上都更方便處理

52、。密度泛函理論最普遍的應(yīng)用是通過Kohn-Sham方法實(shí)現(xiàn)的。 在Kohn-Sham DFT的框架中，最難處理的多體問題（由于處在一個外部靜電勢中的電子相互作用而產(chǎn)生的）被簡化成了一個沒有相互作用的電子在有效勢場中運(yùn)動的問題。這個有效勢場包括了外部勢場以及電子間庫侖相互作用的影響，例如，交換和相關(guān)作用。處理交換相關(guān)作用是KS DFT中的難點(diǎn)。目前并沒有精確求解交換相關(guān)能EXC的方法。最簡單的近似求解方法為局域密度近似(LDA近似)。LDA近似使用均勻電子氣來計算體系的交換能（均勻電子氣的交換能是可以精確求解的），而相關(guān)能部分則采用對自由電子氣進(jìn)行擬合的方法來處理。密度泛函方法根據(jù)基函數(shù)和近似方

53、法的不同，現(xiàn)在比較常用的方法有：FP-LCAO（Full Potential-Linear Combination of Atomic Oribtals，全勢-線型原子軌道組合方法），F(xiàn)P-LMTO（Full Potential-Linear Muffin-tin Orbitals，全勢-線性Muffin-tin軌道方法），F(xiàn)P-LAPW（Full Potential-Linearized Augmented Plane-wave，全勢-線性化綴加平面波方法），Pseudopotential Plane-wave（PP-PW，贗勢-平面波方法）。目前比較流行的DFT計算軟件的主要計算方法如下：

54、VASP（PP-PW）CASTEP （PP-PW）Abinit （PP-PW）Crystal （FP-LCAO）Quantum-ESPRESSO（PP-PW，原PWscf）Wien2k （FP-LAPW）Siesta （Order-N方法，又稱Siesta方法，基于LCAO）ELK （FP-LAPW）Exciting （PF-LAPW）Fleur （FP-LAPW）Octopus （TDDFT，用于光學(xué)性質(zhì)計算等）量子動力學(xué)量子動力學(xué)方法基于量子力學(xué)理論方法處理原子核運(yùn)動。在玻恩-奧本海默近似下對原子核坐標(biāo)變量與電子變量進(jìn)行分離后，與核自由度相關(guān)的波包通過與含時薛定諤方程全哈密頓量相關(guān)的演化算

55、符進(jìn)行傳播。而在以能量本征態(tài)為基礎(chǔ)的另一套方法中，含時薛定諤方程則通過散射理論（Scattering Theory）進(jìn)行求解。原子間相互作用勢由勢能面描述，一般情況下，勢能面之間通過振動耦合項(xiàng)相互耦合。用于求解波包在分子中的傳播的主要方法包括分裂算符法（Split Operator）多組態(tài)含時哈特里方法（MCTDH）第一性原理分子動力學(xué)量子動力學(xué)方法基于量子力學(xué)理論處理原子核的運(yùn)動，計算非常耗時，且計算規(guī)模巨大，一般只能處理幾個到幾十個原子的體系，處理上百個原子的體系非常困難。為了能計算處理更大的體系，并縮短模擬時間，可使用牛頓運(yùn)動定律研究系統(tǒng)的含時特性，包括振動轉(zhuǎn)動或布朗運(yùn)動，但電子運(yùn)動仍然

56、通過第一性原理方法來處理。這樣的方法稱為第一性原理分子動力學(xué)或從頭算分子動力學(xué)方法，包括密度泛函理論與分子動力學(xué)結(jié)合的Car-Parrinello方法。第一性原理分子動力學(xué)與經(jīng)典分子動力學(xué)一樣，原子核的運(yùn)動用牛頓力學(xué)來描述。主要的區(qū)別是經(jīng)典分子動力學(xué)方法使用經(jīng)驗(yàn)勢來處理電子結(jié)構(gòu)，而第一性原理分子動力學(xué)中的電子結(jié)構(gòu)基于量子力學(xué)方法計算處理。半經(jīng)驗(yàn)方法半經(jīng)驗(yàn)方法省略或近似處理了第一性原理計算中的一些費(fèi)時的計算項(xiàng)，比如Hartree-Fock方法計算中的雙電子積分。為了修正這些近似方法帶來的誤差，半經(jīng)驗(yàn)方法計算使用了一系列由實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合的參數(shù)。有時，這些參數(shù)是根據(jù)第一原理計算結(jié)果進(jìn)行擬合的。經(jīng)驗(yàn)方法

57、是對半經(jīng)驗(yàn)方法的進(jìn)一步近似。經(jīng)驗(yàn)方法并沒有包括哈密頓量的雙電子部分。經(jīng)典方法包括埃里克休克爾提出的應(yīng)用于電子體系的Huckel方法和霍夫曼提出的擴(kuò)展Huckel方法。半經(jīng)驗(yàn)計算比第一性原理計算快很多。但是如果計算的分子與參數(shù)化該方法時使用的分子結(jié)構(gòu)不相近時，半經(jīng)驗(yàn)方法可能給出完全錯誤的結(jié)果。半經(jīng)驗(yàn)方法在有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)橛袡C(jī)分子的大小適中并主要由少數(shù)幾種原子構(gòu)成。與經(jīng)驗(yàn)方法類似，半經(jīng)驗(yàn)方法也可分為兩大類：限于電子體系的半經(jīng)驗(yàn)方法和限于價電子體系的半經(jīng)驗(yàn)方法。目前大部分的半經(jīng)驗(yàn)方法屬于第二類。分子力學(xué)方法很多情況下，對大分子體系的處理可以完全避免使用量子化學(xué)計算，而使用分子力學(xué)的方法

58、。分子力學(xué)（Molecular Mechanics），又叫力場方法（Force Field Method），目前廣泛地用于計算大分子體系的構(gòu)象和能量。 HYPERLINK /w/index.php?title=%E5%88%86%E5%AD%90%E5%8A%9B%E5%AD%A6&action=edit&redlink=1 o 分子力學(xué)（頁面不存在） 分子力學(xué)模擬使用古典力學(xué)模型（例如 HYPERLINK /wiki/%E8%B0%90%E6%8C%AF%E5%AD%90 o 諧振子 諧振子）描述分子體系的能量。分子力學(xué)模型的所有常數(shù)均通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或 HYPERLINK /w/index.p

59、hp?title=%E7%AC%AC%E4%B8%80%E5%8E%9F%E7%90%86&action=edit&redlink=1 o 第一原理（頁面不存在） 第一原理計算結(jié)果得到。參數(shù)和方程的優(yōu)化結(jié)果稱為 HYPERLINK /wiki/%E5%88%86%E5%AD%90%E5%8A%9B%E5%9C%BA o 分子力場 分子力場。進(jìn)行參數(shù)化的分子力場對分子力學(xué)方法的計算成功與否至關(guān)重要。針對某類分子優(yōu)化的力場只有在應(yīng)用于同類分子時才可保證得到可信的結(jié)果。在處理原子核運(yùn)動方面，基于分子力場的分子動力學(xué)稱為經(jīng)典分子動力學(xué)方法，常用于蛋白質(zhì)、高分子等大體系的模擬計算。主流計算軟件介紹物理化

60、學(xué)領(lǐng)域的計算軟件眾多，包括第一性原理計算軟件、分子動力學(xué)軟件等。大部分軟件包均支持多種計算方法，如Hartree-Fock、DFT、半經(jīng)驗(yàn)方法、分子力學(xué)、分子動力學(xué)方法等，可以計算研究體系的能量、電學(xué)、磁學(xué)等不同性質(zhì)。不同的軟件包具有各自的特點(diǎn)及適用場景，需根據(jù)具體的研究體系進(jìn)行選擇。表：部分計算軟件支持的計算方法列表GaussianGaussian是目前計算化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)最流行、應(yīng)用范圍最廣的商業(yè)量子化學(xué)計算程序包之一，功能全面，基本上實(shí)現(xiàn)了第一性原理計算的各種算法，不僅可以模擬氣相或者溶液中單分子體系的基態(tài)和激發(fā)態(tài)，還可以對周期邊界體系(如晶體)進(jìn)行計算。Gaussian軟件可以研究的對象包括