2020年第一性原理计算的研究现状如何？ 第1页

其实从我的角度来说，第一性原理计算的了解远不如对于孤立体系量子化学计算，不过这两个之间又多少有那么些关系，那就随便聊一聊好了。内容并不是仅涉及第一性原理相关计算，因为包括MS和VASP在内，目前固体/周期性体系相关计算中，不少新玩意其实是MM方法，也放在里面一块说了。还有就是一些新方法本来是用来计算孤立体系的，并不是给对固体/周期性计算开发的，但是可以用在这些计算里面，也一并写进去了

现在MS/VASP培训满天飞，主要的原因呢一方面是环化材生的人太多了，再一个就是现在材料(包括所谓的应用类)发文章的要求水涨船高，现象/性质不做点解释很大的限制了文章的档次，有做计算的需求嘛自然就有人去教。

另一方面就是代理商的推动了。从材料性质的计算来说可选的软件还是不少的，但为啥一般看到的都这两个呢？因为用这两个发文章要买版权，并且这玩意卖的简直死贵！培训班的主力也是这两个的代理商，顺便捆绑销售GUI。MS的代理商创腾科技基本上每个月都有班，当然也有DS的班，实际上用MS做第一性原理计算用的是里面的CASTEP模块(DMol3这模块后面说，这玩意跟一般意义上的第一性原理方法，指平面波，并不一样)，这个模块从去年开始开放学术免费license申请，但你从MS买还是巨贵。VASP的代理商是Materials Design和国内的源资科技，一般也和GUI MedeA一起卖，巨贵。源资科技也是办VASP(包括lammps)培训班的主力。这里单独说下lammps，其实lammps本身是学术免费的软件，在MD相关的软件中也算是主流软件，除了Gromacs之外基本上算是老大了，主要用的领域有点区别。但是这东西有了MedeA这个GUI之后，就变成了MedeA Lammps模块，也是价格不菲。。。。emmm反正能鼠标点点点当然要收你费了。

其他的软件其实也有不少，比如老牌的第一性原理程序Quantum ESPRESSO，功能强大，开源免费，也不难用，GUI也很友好(自带的GUI有点2B，但是有Burai之后还是不错的，当然也有用xcrysden之类的)，年引用和CASTEP差不多，但你却基本没听过这个的培训班，都赚不到钱了谁来开呢。。。。这里就要吐槽一个CP2K，也是开源免费，版本出的蛮快，功能也不弱，独家功能非常强大，但是太难用了。。。里面的bug也太离谱了，甚至出现联用的两个模块用的MPI并行库不一样这种，只能说课题组确实不是开发软件的好组织吧，一个学生毕业了，他写的代码后面的人很难改了。。。。但是老牌量化软件GAMESS-US做的相对好得多。补充一下，现在cp2k这玩意相对来说已经好多了，7.1版本至少编译软件的各种库不至于一口血了，以前5.X的时候那可是真的要命，从编译到使用都要命。然后还有一个Crystal，这东西价格不贵，1400欧，比起MS动辄几十万来说是算是良心软件了，但其实即使是做计算的人都很少听说这玩意，再就是用的方法也不是常规的平面波方法，而是像一般量化程序用的高斯型基函数(GTF)，算是个另类，而且同样难用的一笔，相对而言就是手册看着还可以。当然其他的还包括ADF-band，ADF的模块(这玩意现在似乎改名叫AMS了？)，也是卖的死贵，不过这玩意虽说卖的贵但也没啥培训班，估计是真的没啥人用吧。。。。不过这里特别想喷一个，AMS，里面有个QE的模块，说的简单点就是给预编译好的老版本QE加了个GUI，这TM也好意思拿出来卖钱。。。。。。真·素质吊差！！emmmm，还有些比如CPMD，Abinit之类的，比较非主流。CPMD的编译如同其后辈cp2k，用起来也好不到哪里去，唯一的好处可能就是手册稍微全一点，然并卵。至于Abinit，功能全面也很强大，本来该是可以和QE/VASP/CASTEP一较高下的玩意，但是推广的不太好，使用这个的基本都是课题组传承吧，不过随着这几个大版本改进(现在是9.2.1)，速度提升了不少，用的人数可能会增加一些，就是教程实在太少了，虽说官方的教程还不错。

先当社畜去了有空慢慢更。

小修了一下，继续更一点。

所谓研究现状大致分为两个部分，一方面是程序/算法实现/新硬件支持方面的进步，另一方面是理论方法的进步，当然一些新方法需要新开发的特定程序支持，这写也放在第二部分里说。理论方法的进步也可以分为两个大方向，一个是在合理的时间里获得更精确的结果，另一个就是在尽可能短的时间里获得尽量可接受的结果。这几个方向分别讲一讲好了。

先说程序/算法实现/新硬件支持方面。就从几个用得多的程序分别说一下好了。

先说Quantum ESPRESSO，这玩意一般做第一性原理计算的人即使没用过也听过，最近一段时间的更新里面除去一些bug的修修补补，一些方法的支持，之外，主要就是GPU加速了。根据某ppt，QE6.5a2GPU版通过老黄家的卡，加速比例相当可观。然而只有pw.x一个模块可以加速，而且一些用法不能加速。

这里用的是tesla，实际上游戏卡比如2080s之类的也可以，用下来看，加速效果相当可观，小体系在2080之类的卡上相对于纯CPU提速超过5倍，只不过使用范围有限。然后是问题，这个的显存利用明显还不够成熟(相较VASP)，用游戏卡(比如一般做MD的比较喜欢用的高性价比的2080s)算稍大点的体系(4-50个原子)就会暴毙，因为显存不够。。。。看起来相较于VASP的显卡加速还有点问题。

然后说说VASP，今年1月新发布的6.1版本。这玩意首先是支持了AVX512指令集，根据牙膏厂的测试结果，比AVX2有大概50%的提升。不过这是牙膏厂的一家之言，反正以我了解到的情况(可能不准确)，用AVX512提升非常有限。再说到AVX512，也就新的二代至强铂金/黄金有支持，并且据说这玩意可以cpu烤肉。

另一方面就是支持了OpenMP和MPI混编，号称在超过200核的并行上效率有了一定程度的提升，这种大规模并行其实也挺难用到的，最多用来跑AIMD，而那个时候有其他选择，比如cp2k之类的，其实这玩意主要的作用是省内存，如果几百核用纯MPI并行其实也算不了多大体系，太耗内存了。但是话又说回来，在单节点上这玩意没什么卵用，简单测试了一下，设置好NCORE，KPAR，NPAR的情况下，MPI36核速度比6MPI×6OMP(intel全家桶)要快将近一倍，所以这玩意对绝大多用户没什么卵用。其他的一些比如支持OpenACC的GPU加速，算杂化泛函的时候可以提速一点。然而这些都不关键，比较关键的是终于可以算声电耦合了，QE已经能算好久了，有了EPW更是能节省不少计算资源，新的VASP这边没看教程，也不知道这边用起来怎么样。还有个是支持libxc，多了不少杂化泛函可用，当然其实未必算得动。不过刚才也说了，VASP的GPU加速比起QE明显要成熟一些，计算一个不算太大的体系(上百个原子)也只需要几个G的显存，(当然这部分我没亲自用过也不知道具体什么情况)。最最后，这东西涨价了！！！涨幅还不小。

这两个软件还是很相似的，能算得东西差不多，连新版本加的特性都有点神似，当然其实QE支持的方法相对更全更多一些，还有其他的一些接口，包括WANT，GIPAW之类的(QE更新了6.6这玩意居然没更，不过话说回来会去算固体核磁性质的人也很少)。另一个优点就是找过渡态，QE好了不是一点半点，VASP如果没有VTST支持的话这方面简直是弱智一样的存在，NEB和dimer日常搜出来不知道啥过渡态/不收敛。还有像一些特色的，比如X光谱啊之类的，还是没几个程序能算，免费又用起来不那么复杂的可能仅此一家吧。至于VASP，教程多可能是最大的优势，虽说这东西上手也不必QE简单，4个输入文件简直反人类，输出文件里面也是废话连篇，用着相当难受。曾经来说VASP的赝势库是个不小的优势，毕竟商业软件有专人维护，然而QE的赝势库也日趋完善，并且有像SSSP这种帮你测好了哪个好用照着用就完了的，从这个角度来说这两家伙还是半斤八两。

而另一个同样作为老牌的平面波程序CASTEP已经很久没啥动静了(也可能是我本来也不关注吧)。。。。除了去年突然宣布可以申请学术license以外也不知道有啥改进。对这玩意的了解基本还是作为MS的一个模块，内置的方法/赝势也不是很多，速度也不咋地，感觉就那么回事吧，不知道现在咋样了。跟他一起在MS里的DMol3，这货可能是个奇葩，其实就原理来说，NAO比起PW也好GTO也好，还是有一些特点的，比如BSSE很小(相对GTO来说，PW没这个东西)，可以用小的基函数数量达到较高的精度等等，然而不知道是开发者水平问题还是啥问题，同样用NAO的FHI-AIMS在那里跳来跳去，甚至科大的ABACUS(你科牛逼)都有的可吹，DMol3倒是除了图形界面还不算难用之外没没啥特点。算孤立体系吧，支持的方法少，弱，速度还不快，被主流量化软件比如XXX，orca之类的秒翻；算PBC吧，可能大体系速度是唯一的优势了，毕竟NAO这种局域的基比起PW来说不至于因为积分计算量随着cell提高而出现套娃提升计算量的情况。总体来说用途有限，而且现在BIOVIA把原来的turbomole给买下来以后这玩意地位就更尴尬了，据说现在淘宝猫算周期性也是相当的可以，准备挑战crystal了，比起XXX的five PBC就更不用说了，看着啥时候淘宝猫进MS吧，当然肯定比以前又贵了。。。。

先更这么多，有空再说。