計算化學之第一原理計算

現狀

第一性原理（First－principles）材料模擬的主要任務即從密度泛函理論（Density Functional Theory，DFT）出發，在無任何經驗參數的條件下從頭計算分子和固體材料的物理化學性質及其應用。第一性原理電子結構計算軟件包括了一些有史以來計算成本最高的科學應用程序，無論是硬件還是軟件發展方面，它們（如VASP、Gaussian、NWChem等）總是經常處于對高性能計算能力需求的最前沿。為了通過密度泛函理論數值計算求解具體的物理化學問題，需要采用基組展開等方法將DFT方程離散成計算機可以識別和操作的數組和矩陣，從而獲得材料中所有原子周圍的電子密度，進而計算出材料的電子結構及其他重要特性。第一性原理軟件包大致可以分為平面波基組軟件、原子軌道線性組合（LCAO）基組軟件、混合型平面波和高斯基組軟件。如果從計算復雜度（包括計算時間和內存）上區分，第一性原理電子結構計算方法可以分為傳統的高標度法和線性標度法。

當今國際上的高性能第一性原理計算軟件（包括低標度和高標度）并不多，僅有LS3D、CP2K、NWChem、BigDFT、DGDFT和Qbox等可實現中等規模高性能并行計算（10 000個CPU核以上），其中LS3D和Qbox曾獲得“戈登·貝爾”獎。另外，DGDFT和國內商業軟件PWmat還采用了圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU），GPU加速大大地提高了計算效率。同時，VASP、Gaussian、NW＆shy；Chem和BigDFT等軟件也正在發展GPU加速模塊。

對領域應用的促進

通過輸入的材料結構信息，第一性原理計算可較為準確地預測已知材料的基態結構和基本物理化學性質，并實現原子級別的精準控制。這已成為21世紀解決實驗理論問題和預測新材料結構性能的強有力工具和標準研究方法。該方法不需要開展真實的實驗，極大地節省了成本，縮短了新材料的開發周期，為材料的制備和改性、新材料的開發以及極端環境下材料的性質研究提供了有效的理論指導。然而，由于計算量極大，第一性原理材料模擬領域的科研人員對軟件性能和計算資源的需求越來越大。高性能計算的快速發展為第一性原理計算提供了機遇，使其在凝聚態物理學、材料科學、化學和生物學等領域發揮著日漸重要的作用，包括模擬并解釋實驗新現象，分析其本征物理機制，以及設計新型功能材料并預測新奇性質等，取得了很多重要科研成果。可以說，第一性原理計算體現了量子力學理論與高性能計算之間的高度結合，實現了理論－模擬－實驗三位一體的科研模式，并引發了材料科學的革新。

發展趨勢

事實上，第一性原理計算現已成為高性能計算中應用最廣泛和最活躍的領域。該領域研究的快速發展不僅歸功于理論、算法和軟件進步，更得益于計算機硬件能力的指數級增長，包括處理器速度和數目的增加、內存容量和速度的增長、大規模并行處理能力的提高等。隨著計算機硬件和算法軟件的發展，高性能計算機的計算能力飛速提高，第一性原理計算應用領域也將大步前進。更精確、更大體系的第一性原理計算以及更長時間尺度的分子動力學模擬都將成為可能，其計算結果也將更加接近真實體系，從而使第一性原理計算發揮更大作用。