基于局域軌道的第一性原理軟件發(fā)展和應(yīng)用.pdf

1、隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)硬件和數(shù)值算法的迅速發(fā)展，基于密度泛函理論的第一性原理方法在凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、化學(xué)和生物等研究領(lǐng)域變得越來(lái)越重要。目前密度泛函理論發(fā)展的兩個(gè)重要方向:一個(gè)是泛函理論的發(fā)展，目的是得到更精確的計(jì)算結(jié)果;另外一個(gè)是數(shù)值方法的發(fā)展，是為了能夠研究更大尺寸的材料體系。平面波基組和贗勢(shì)方法的結(jié)合，使得密度泛函理論可以用來(lái)處理上百個(gè)原子的系統(tǒng)。而數(shù)值原子軌道基組的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，使得精確計(jì)算更大尺寸的系統(tǒng)成為可能。第一性原理計(jì)算軟

2、件在密度泛函理論的發(fā)展過(guò)程中一直扮演著重要的角色:一方面它可以為新算法提供實(shí)現(xiàn)的平臺(tái);另一方面它是連接密度泛函理論和實(shí)際科學(xué)問(wèn)題的紐帶。本文作者所在課題組從零開(kāi)始研發(fā)了一款基于數(shù)值原子軌道基組的第一性原理計(jì)算軟件包Atomic-orbital Based Ab-initio Computation at UStc(ABACUS)，旨在研究成百上千個(gè)原子的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)。本文作者在攻讀博士期間，以發(fā)展和應(yīng)用基于數(shù)值原子軌道基組的第一性原理軟

3、件為研究課題，研究的重點(diǎn)主要是軟件中新的算法的實(shí)現(xiàn)和軟件的性能優(yōu)化，以及使用第一性原理軟件進(jìn)行科學(xué)問(wèn)題的研究。在實(shí)現(xiàn)新算法和對(duì)軟件進(jìn)行性能優(yōu)化的過(guò)程中，作者對(duì)第一性原理軟件的結(jié)構(gòu)有了比較全面、清晰的認(rèn)識(shí)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。
　　本論文取得的成果主要有:1、實(shí)現(xiàn)了Pulay-Kerker的電荷密度混合方法和電荷密度的二階插值方法，加快了電子迭代的收斂速率，提高了計(jì)算效率。2、優(yōu)化了計(jì)算電荷密度矩陣的算法，提速了幾十倍;與他人合作一起

4、優(yōu)化了格點(diǎn)積分，提速4～5倍;與他人合作實(shí)現(xiàn)與Eigenvalue SoLvers for Petaflop-Applications(ELPA)的接口，將矩陣對(duì)角化提速3～5倍。3、經(jīng)過(guò)反復(fù)的性能和benchmark測(cè)試，最后得到了準(zhǔn)確、穩(wěn)定、高效的基本功能齊全的軟件包，并開(kāi)源發(fā)布，希望與國(guó)內(nèi)外同行合作交流，促進(jìn)第一性原理軟件的發(fā)展和應(yīng)用。4、應(yīng)用ABACUS對(duì)地球化學(xué)領(lǐng)域關(guān)心的平衡同位素分餾進(jìn)行了第一性原理的研究，得到了與實(shí)驗(yàn)一致的