量子化学GPU解决方案

 

量子化学(quantum chemistry)是理论化学的一个分支学科,是应用量子力学的基本原理和方法研究化学问题的一门基础科学。研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能及其结构与性能之间的关系;分子与分子之间的相互作用;分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等问题。

     量子化学自诞生的第一天起,即依赖于计算。而由于其所基于的原理(量子力学)和研究对象的复杂性,量子化学对计算能力有无休止的需求。因此计算机软硬件的每一次进步,都能给量子化学的进展打下明显的印记。近几十年来,由于计算量子化学家结合计算机技术的飞跃而进行的不懈努力,使得量子化学计算飞速发展并逐渐延伸到其它领域,如纳米、生物、材料,药物领域,成为这些领域研究的不可或缺的工具。虽然计算机单个CPU运算速度的提升能一定程度上满足量化计算的渴求,但CPU速度的提高受制于技术工艺,不能无限提升,不能满足计算化学家的无止境需求。使用多个处理器的并行计算技术的适时出现,为量化计算跨入新的高度带来了契机。并行计算除了对硬件设置有特殊要求外,还需在编制程序时付出额外的努力。由于计算量子化学家的辛勤劳动,至今大型主流的计算量化软件如

GaussianQ-Chem等,都实现了程序的并行化,并有极高的效率。但高的计算速度需要许多CPU组合,这无疑提高了购置计算机硬件的成本。适时出现的GPU能大幅提高数值计算的速度,

为量化计算敲开了走入柳暗花明境地的大门。

GPUGraphical Processing Units)的设计是使得巨大数目的并行事件同时进入GPURAM,即相同操作能在GPU的内存不同部分执行。这属于SIMD(单指令多数据, SingleInstruction Multiple Data)类型。典型的GPU包含许多分列成组的计算单元,每组共享能快速进入的内存和一个指令单位。这些高度密集的计算单元需要更大的Cache和控制单元。GPU在数值计算中表现出的优异性能与已经趋于平缓发展的CPU相比展现出了令人耳目一新的表现(见图1)。GPU结构的本身具备进入科学计算的基本需求。




 

启动GPU在科学计算上的真正的应用和引起极大关注的是近来NVIDIA公司推出的编程工具

CUDACompute Unified Device Architecture)。CUDA是一个类似于C的高级、直观的编程语言,并能被C语句调用。NVIDIA公司最近还推出了ParallelNsight6,使CUDA能在MicroSoft公司的最为普及的软件开发平台Visual Studio上使用。这惠及了百万级的软件开发工作者。毫不夸张地说,CUDAGPU在科学计算上应用的飞速发展插上了翅膀。一时间诸多的与数值计算有关的科学家趋之若鹜,这很可能会完全改变明天科学计算的面貌。一开始影响GPU在科学计算上普及使用的另一障碍是早期的GPU的较低的数值精度,而随着仍是NVIDIA公司的支持32位浮点运算精度的G80系列的GPU卡的推出和64位的GeForce 8800 GTX GPU卡的推出,用于科学计算的精度问题得到了彻底的解决。虽然在64位浮点运算精度下,运算速度会有所损失。

使用GPU的量化计算方法和程序

    量化计算的基本方法,ab initioDFT,的最主要的计算工作,是求得双电子排斥积分(也包括DFT中的交换-相关积分的数值求取)和生成Fock矩阵以及矩阵的对角化。Yasuda第一个认识到可使用GPU来提高计算电子排斥积分(ERI)的速度。他使用GeForce 8800GTX GPU卡,发展出了使用GPU计算DFTKS矩阵的Coulomb积分的算法,但仅适用于sp基函数。这

个算法在TaxolValinomycin的小基组和LSDA DFT计算里,使用GPU计算Coulomb势,仅需CPU常规计算时间的1/3。尽管使用的GPU仅支持单精度浮点数运算,但仍然有可以接受的精度。Yasuda的算法是在Gaussian03程序上完成的。认识到GPU对积分的计算只能包括sp基函数是远远不够的。将GPU上的积分计算扩展到d及更高角量子数的基函数的困难在于目前最大的单个GPU也无法容纳这些高角量子数的计算壳层。如对于一个(ff|ff)双电子积分的壳层,在中间计算时共需要5376个浮点数,它们要做多次的乘法运算,最终需约10个浮点数。对于双精度,这相应于123008bytes,远远超出了目前最大的单片GPU的容量。有人在等待着很快有更大的GPU上市,但Asadchev等另辟蹊径,近来提出了一个使用CUDA能计算到g型基

函数的算法。他们将计算的中间结果存放在装置的内存,而不是GPU中,并将这些壳层块的积分重新排序,满足这些积分的频繁调用。这样做带来的问题是为了适应所有积分类型的有效排列的方式,原来在CPU下使用的大量的程序需要重写。他们采用了由一个个模块自动生成的方式来解决这个问题。使用GTX275 Tesla T10 GPU卡,他们与GAMESS比较了双电子排斥积分的运算速度。CPU能达到1 GFLOPS(每秒钟进行1 giga 浮点运算),而GPU在单精度和双精度运算时能分别达到5025 GFLOPS。对DFTGGA中的XC(交换-相关)势的数值计算,仍是Yasuma首先提出了在GPU上计算的算法。他采用的策略是在仅将XC的较费时的步骤交由GPU,其余仍由CPU处理。使用NVIDIAGeForce8800 GTX 卡,与2.8 GHzIntel Pentium 4相比,该步计算的加速能达到40倍。

Aspuru-Guzik等将开发基于GPU的量化算法的注意力放在了包括相关能校正的RI-MP2RI

Resolution-of-the Identity的缩写)方法上。除了对于含过渡金属的体系,MP2计算的平衡几何构型优于广为使用的DFTMP2计算中最为耗时的是原子轨道基的积分向分子轨道基的变换。这一般是体系基函数数目N5次方。引入RI积分近似可减少计算时间而又没有明显的精度损失。Aspuru-Guzik等分析RI-MP2计算各个步骤对计算机时间的需求,认识到RI-MP2计算中主要的时间消耗是在从半变换的三指标积分变换为分子轨道积分时的矩阵相乘。他们使用CUBLAS6的函数在GPU上执行矩阵相乘的运算(将CUBLAS的函数引入量化计算这还是首次)。据他们自己的测试,在单精度下,计算速度能达到原来使用CPU4.3倍。使用NIDIA Tesla C1060 GPU4GB的内存,他们测试了有168个原子的分Valinomycin,在单精度、混合精度和双精度下分别能比CPU提速13.810.07.8倍,在双精度下,误差接近于零。他们的计算是根植于另一广为使用的商品化量化计算程序Q-Chem

在此还应提及一个不被化学家熟悉的、使用Daubechies波,而不是Gaussian型的基函数的程序包BigDFTBigDFT 使用CUDAGPU上编程,达到了极高的并行效率,使用GPU的版本能比CPU的提速达6

TeraChem软件包和其中的GPU计算的算法

TeraChem是由UfimtsevMartinez使用CUDA算法编写,在GPU机器上运行的量子化学程序包,由美国PetaChem公司于今年推出商业化版本。UfimtsevMartinez提出的计算双电子排斥积分基于McMurchie-Davidson框架,检验了三种分配GPU/CPU工作和处理任务分块的模式(1B1CI1T1CI1T1PI),先进行由H原子组成的体系的(ss|ss)型积分的运算,然后推广到包括由p函数组成的基的排斥积分。他们发现若从Gaussian基的双电子排斥积分直接进入Fock矩阵,而不是如传统的将Gaussian轨道基的排斥积分收缩到STO,在GPU下能有极高的效率。对于由64H组成的体系,使用6-311G和三种模式计算排斥积分,分别耗费7.0860.6750.428秒,加上用CPU的预计算的0.009GPU-CPU转换的0.883秒,最快的1T1PI模式共需1.320秒。而使用GAMESS在单CPU下则需170.8秒。UfimtsevMartinez随后的论文报告了完全使用GPU进行Hartree-Fock计算的方法。基于1T1PI处理双电子排斥积分的方法,他们提出了Hartree-FockJ-矩阵和K-矩阵的在GPU下依据大小分块处理的算法,还研究了多GPU的并行化处理:每个GPU处理自己的J-矩阵子块,计算K-矩阵时每个GPU处理K-矩阵的不同的行。使用三个GPU卡(GTX280)做检验,能达到一个GPU卡的2.0-2.8的效率。他们测试了从24个原子到453个原子组成的分子的Hartree-Fock单点能量计算。使用3-21G6-31G基组以及一个GPU卡(GeForce280 GTX),在双精度下,与GAMESS相比,速度能提高40多到600多倍。总能量的差别可忽略不计。UfimtsevMartinez的关于能量的解析梯度计算的GPU处理,包括Coulomb和交换部分计算的处理。加上多GPU卡的并行计算的处理,该方法可用Hartree-Fock能量和DFT能量的解析梯度的计算。使用GPU程序和单个GPU卡(GeForce 295 GTX),与在42.66 GHz CPU上运行的GAMESS程序相比,从小到大的分子,GPU仍然可有数倍到超过百倍的速度提高。这样,他们提出的在GPU上运行的量化计算的算法,涵盖了基本的从头算/DFT的全部三个耗时步骤(双电子积分、Hartree-Fock/Kohn-Shan矩阵处理和能量的解析梯度)。基于此,Martinez推出了他们的TeraChem程序,目前是1.05版。TeraChem能进行闭壳层的Hartree-FockDFT的单点能量计算,基于解析梯度的几何构型极小化和过渡态优化的计算,

以及基于以上计算(能量和解析梯度)的动力学模拟(MD)和简单的QM/MM计算。使用TeraChem,很容易检验和实现上述他们的三篇论文的结果。TeraChem更为不凡,且需引起密切关注的原因是这是第一个完全基于GPU,从零开始编制的量化计算程序。TeraChem一进入人们的视野,就以完备的商品软件的姿态出现。据PetaChem网站披露,TeraChem在今年春天一推出,短短半年内就有超过4000份的试用版本发出,展现出蓬勃的生命力。

 

几种常见的计算化学软件

TeraChem

简介:

运行于64Linux系统下,专门为运行NVIDIA GPU架构而设计,用于一般目的的量子化学软件。比传统的基于CPU的代码快1000倍。可以申请测试版。

功能:
限制性Hartree-FockKohn-Sham的单点能及梯度计算。
各种泛函(BLYPB3LYPPBE,等)和各种DFT格点(每个原子有800~80,000格点)。
结构优化。
从头分子动力学(NVENVT系综)。
支持多GPU系统。
支持大分子,可以直接读写PDB文件。
包含NBO 6,进行NBO分析。

GAMESS-US

简介

从头计算量子化学程序,可以从RHFROHFUHFGVBMCSCF计算波函,其中一些使用CIMP2修正。自恰场的解析梯度用于自动几何优化,过渡态寻找,跟踪反应路径。能量hessian的计算允许预测振动频率。可以计算大量的分子特性,从简单的偶极矩到含频率超级极化率。内部储存了大量基组和有效核势,分子中可以包含到Ra的所有元素。几个图形程序用于显示最终结果。支持并行计算

功能:

Hartree-Fock
  密度泛函,包括B3LYPBLYPBP86BP97B97HCTHLDA7.0版新增:PBE交换-关联泛函;HCTH120 HCTH147HCTH407KT1KT2泛函;PW92局域校正泛函;PW91交换泛函,关联泛函和交换-关联泛函;B95 meta-GGA关联泛函;BB95B1B95,和BB1K meta-GGA关联泛函(meta-GGA泛函只能计算能量和梯度)。
电子相关,包括MP2MP3MCSCFCASSCFMR-DCICCSDCCSD(T)RPAMCLR的激发能和谐振强度,完全CI Green函数计算电离势。2002年的新版本6.3还可以进行多参考二级和三级Moller-Plesset微扰理论计算(包括其特殊形式CASPT2 CASPT3),以及MRCI+MRMPn (n=2,3)的混合方法
DIRECT-CI
模块:进行单参考或多参考的CICEPA(0)CEPA(1)CEPA(2)ACPFAQCC计算
直接方法,有直接SCFDFTMP2RPA,半直接MRDCI
分子特性,包括MullikenLowdin布居数分析,静电势导出电荷,分布式多极矩分析,Morokuma分析,自然键轨道(NBO)分析,到AIMPAC代码的接口,红外和拉曼强度,多极矩,极化率,超极化率,磁化率,ZORA相对论影响,溶剂影响DRF
赝势,包括局域和非局域赝势
可视化,进行前期和后期处理
混合QM + MM,具有到Charmm的接口
半经验方法MNDOAM1PM3。内含的MOPAC代码升级到7.0
完全图形化的安装程序,以及友好的图形用户界面用于编辑和提交任务。(仅Windows版本)

NWChem

简介

NWChem是运行在高性能并行超级计算机和通常工作站集群上的计算化学软件,可以用在大多数计算平台上。NWChem使用标准量子力学描述电子波函或密度,计算分子和周期性系统的特性,还可以进行经典分子动力学和自由能模拟。

功能

1. 分子的电子结构

  1) 下面的方法计算原子坐标的能量,解析一阶导和二阶导。

  自恰场(SCF)或Hartree-FockRHFUHF

  高斯密度泛函理论(DFT),使用正常的N3N4标度的局域,非局域(梯度校正)和杂化(局域,非局域和HF)的自旋限制交换-关联势

  2) 下面的方法计算原子坐标的能量和解析一阶导。二阶导由一阶导的有限差分计算。

  自恰场(SCF)或Hartree-FockRHFUHF,高自旋ROHF

  高斯密度泛函理论(DFT),使用正常的N3N4标度的局域和非局域交换相关势(RHFUHF

  自旋-轨道DFTSODFT),使用多种局域和非局域交换相关势(UHF

  MP2,包括使用冻芯以及RHFUHF参考的半直接MP2

  完全活性空间SCFCASSCF

  束缚DFT

  加入经验性长程色散校正的DFT-D方法

  3) 下面的方法仅用于计算能量。一阶导和二阶导由能量的有限差分计算。

  CCSDCCSD(T)CCSD+T(CCSD),使用RHF参考

  二级微扰修正的选择CI。选择参考组态的CI+微扰修正可以进行激发态的能量计算,并可以对激发态进行几何优化。

  使用RHF参考的完全直接MP2

  分解恒等积分近似MP2RI-MP2),使用RHFUHF参考

  使用RHFUHFRDFT,或UDFT参考的CISTDHFTDDFT,和Tamm-Dancoff TDDFT用于激发态计算

  用于闭壳层和开壳层体系的CCSD(T)CCSD[T]TCE模块)

  使用RHFUHF,或ROHF参考的UCCDULCCDUCCSDULCCSDUQCISDUCCSDT,和UCCSDTQ

  使用RHFUHF,或ROHF参考的UCISDUCISDT,和UCISDTQ

  使用RHFUHF参考的非正则UMP2UMP3,和UMP4

  EOM-CCSDEOM-CCSDTEOM-CCSDTQ用于闭壳层和开壳层体系激发能、跃迁矩和激发态偶极矩的计算

  CCSDCCSDTCCSDTQ用于闭壳层和开壳层体系偶极矩的计算

  在TCE模块中,用二次近似的单双耦合簇模型(CC2)计算激发能

  4) 下面的方法可用于计算分子特性。

  使用限制或非限制参考的耦合簇线性响应

  用线性响应方法计算CCSDCCSDT级别的基态动态极化率

  用线性响应方法计算CCSDTQ级别的动态偶极极化率

  5) 对所有的方法,下面的操作都适用。

  单点能

  几何优化(最小值和过渡态)

  整个从头势能曲面上的分子动力学

  如果不能用解析导数,自动计算数值的一阶和二阶导

  笛卡尔坐标的简正振动分析

  Morokuma及其合作者的ONIOM混合方法

  产生电子密度文件用于图形显示

  求解静态和单电子特性

  原子局部电荷的静电势匹配(CHELPG方法,可以加上RESP限制或电荷约束)

  6) 对于闭壳层和开壳层的SCFDFT

  COSMO能量

  7) 另外,自动提供到以下程序的接口:

  NBO包。

  Python

  8) 密度泛函:

  数十种LDAGGA泛函(VWNBecke97Becke98HCTH系列,OPTXMPW91等),以及meta-GGA泛函。

2. 相对论影响

  以下的方法可以在量化计算中包含相对论:

  无自旋单电子Douglas-Kroll近似用于所有量子力学方法及其梯度。

  Dyall的无自旋改进Dirac哈密顿量近似用,于Hartree-Fock方法及其梯度。

  通过自旋-轨道势包含单电子自旋-轨道影响。这个选项用于DFT及其梯度,但不能用对称性。

  对于DFT,可以用无自旋的和自旋-轨道的ZORA

3. 赝势平面波电子结构

  1) 下面的模块使用赝势平面波DFT,计算能量,结构优化,数值二阶导,以及从头分子动力学。

  PSPW(赝势平面波),Gamma点程序,用于计算分子、液体、晶体、表面。

  Band,标准的能带结构代码,用于计算具有小带隙(如半导体和金属)的晶体和表面。

  GAPSS,周期体系电子结构LCAO模块(聚合物,表面和固体的高斯方法),使用包含多种局域和非局域交换相关势的高斯DFT,用于计算能量(4.6以上新版本不包含这个模块)

  2) 计算使用:

  共轭梯度和有限内存的BFGS最小化

  Car-Parrinello(扩展拉格朗日动力学)

  常温恒定能量下Car-Parrinello模拟

  在Car-Parrinello中固定原子的笛卡尔坐标和SHAKE束缚

  赝势库

  HamannTroullier-Martins模守恒赝势,可以用半芯校正

  自动的波函初始猜测,现在使用LCAO

  VoskoPBE96交换关联势(自旋限制与非限制)

  非周期正交模拟单元,用于计算带电或高度极化的分子

  用周期和自由空间边界条件,正交模拟晶胞

  大、小平面波展开之间的转换模块

  到DRIVERSTEPPERVIB模块的接口

  通过使用点电荷计算极化率

  Mulliken分析,点电荷分析,DPLOT分析(波函,密度,和静电势绘图)

  BAND加入费米模糊技术

  BAND加入二分量相对论波函

  BAND加入HGH自旋-轨道势

  BAND加入Hilbert分解并行FFT

  PSPW加入Car-Parrinello QM/MM

  非立方晶胞现在可以产生Wannier轨道

  PSPW使用新的并行分解,用于FFT格点和轨道

  PSPW加入分数占据的分子轨道

  二维处理器格点用于PSPW

  PSPW加入Born-Oppenheimer动力学选项

4. 分子动力学

  1) 以下功能用于经典分子模拟:

  单构型能量求解

  能量最小化

  分子动力学模拟

  自由能模拟

  2) 经典和量子描述的组合,执行:

  QM/MM能量最小化和分子动力学模拟

  使用任何能计算梯度的量子力学方法进行量子动力学模拟

  3) 通过用DIRDYVTST模块,用户可以为POLYRATE程序写输入文件,计算化学反应速率常数,包括量子力学振动能和隧穿的贡献。

5. DNTMC

  新的动力学核理论Monte Carlo模块,用于确定分子团簇的几率分布和蒸发率。

6. Python

NWChem内植了Python程序语言,用户可以很容易地组合和控制NWChem的许多高级功能,进行复杂的操作。

Q-CHEM

  电子结构从头计算程序,可以对分子的基态和激发态进行第一定律计算。

功能:

基态自洽场方法

  1. Hartree-Fock方法

  限制性,非限制性,和限制性开壳层形式

  用于结构优化的解析一阶导数

  用于谐振频率分析的解析二阶导数

  2. 密度泛函理论

  局域泛函和梯度校正泛函。交换泛函:SlaterBecke’88Perdew’91Gill’96Gilbert-Gill’99Handy -Cohen OPTX。关联泛函:VWN5Lee-Yang-ParrPerdew-Zunger’81Perdew’86Wigner Perdew’91EDF1交换-关联泛函。用户定义的交换-关联泛函。

  HF-DFT混合泛函:B3LYPB3PW91B3LYP5,用户定义的混合泛函。

  基于数值格点的数值积分方案:SG-0标准网格,SG-1标准网格,LebedevGauss-Legendre角向积分方案

  用于结构优化的解析一阶导数

  用于谐振频率分析的解析二阶导数

  3. 线性标度方法

  傅立叶变换库仑方法

  连续快速多极方法

  线性标度HF交换方法

  基于格点的线性标度积分,用于交换-关联泛函求值

  线性标度NMR化学位移

  4. AOINTS包用于双电子积分

  结合了高性能积分技术的最新进展;COLD PRISMJ-矩阵引擎。

  5. SCF改进

  in-core和直接SCF的最优混合

  DIIS

  初始猜测方案:重叠球平均原子密度,广义Wolfsberg-Helmholtz,从小基组投影,芯哈密顿量的猜测

  SCF波函的稳定性分析

  最大重叠方法

  Fock矩阵的直接最小化

  极化原子轨道对分子优化的最小基

基于波函的电子关联处理

  1. Mφller-Plesset微扰理论

  限制性,非限制性,和限制性开壳层形式

  直接和半直接方法计算能量

  半直接方法的解析梯度,用于限制性和非限制性形式

  在MP3MP4MP4SDQ方法的解析梯度计算中处理冻芯轨道

  2. 局域MP2方法

  根据物理图象截断完全MP2的能量表达式,从而减少计算量

  减少计算量相对于分子尺寸的标度,近似为两倍,却不明显丢失精度。

  应用外推PAO用于局域校正

  可以使用分子中的双原子和分子中的三原子技术

  3. RI-MP2

  比MP2和局域MP2快十倍

  4. 耦合簇方法

  CCSD:能量,以及作为能量有限差分的梯度

  EOM-XX-CCSDXX = EE, EA, IP, SF,能够灵活处理自由基,键的断裂,以及对称破缺问题

  耦合簇能量的非迭代校正:三级校正CCSD(T),三级和四级校正CCSD(2)

  广泛应用分子点群对称性,以改善效率

  二次双激发耦合簇

  QCISDQCISD(T)QCISD(2)用于能量

  DIIS用于收敛加速

  冻芯近似,用于增加可处理体系的尺寸

  5. 优化轨道的耦合簇方法

  优化轨道的双激发耦合簇(OD):可避免人为的对称破缺问题;优化平均场参考轨道使能量最小;Brueckner耦合簇;ODOD(T),和OD(2)的能量及梯度

  优化价轨道的耦合簇方法(VOD):传统CASSCF方法的耦合簇近似;在价活性空间利用截断的OD波函;比CASSCF有更少的磁盘空间需求和更小的体系标度,可处理较大体系;VODVOD(T)VQCCD,和VOD(2)的能量及梯度

激发态方法

  1. 支持的计算类型

  垂直激发吸收谱

  通过激发态能量的有限差分,进行激发态的结构优化

  UCISRCIS进行激发态的振动分析

  自旋反转DFT

  2. CIS方法

  从Hartree-Fock基态波函计算激发态:获得定性的单电子激发态;结构与频率与基态Hartree-Fock结果有可比性

  高效的直接算法用于计算闭壳层和开壳层体系的能量、解析梯度和二阶导数

  XCIS用于二重和四重态计算

  双激发微扰校正CIS(D),可使CIS误差减少两倍或更多,接近于MP2

  3. TDDFT

  从Kohn-Sham基态波函计算激发态能量

  对于低位价激发态,TDDFTCIS有相当大的改善,但只有相近的计算量

  提供激发态中关联效应的内在图像

  自由基的低位价激发态,比CIS有相当大的改善

  自旋反转密度泛函理论(SFDFT):把TDDFT推广到低位价激发态之外;可用于键断裂的过程,以及自由基和双自由基体系。

  4. 基于耦合簇的激发态方法

  EOM-CCSD

  自旋反转激发态方法:改善了双、三自由基体系的处理;结合单行列式波函处理键断裂问题;可用于ODCCSD理论级别

  OOD方法:与CCSD激发态方法有几乎相同的数值性能;比TDDFT精度更高,到计算量更昂贵

  EOM-VOOD方法:类似于EOM-CCSD,但使用VOOD方案

  激发态特性计算:跃迁偶极矩和结构

  5. 分解分析

  显示电子跃迁的工具,用于把电子跃迁分类为价跃迁、Rydberg跃迁,混合跃迁,或电荷转换

特性分析

  1. 自动结构优化和过渡态优化

  使用Jon Baker博士的OPTIMIZE程序包,用约化内坐标保证迅速收敛,避免初始力常数矩阵

  具有一般约束的结构优化:可施加于键角,二面(扭转)角,或平面外的弯曲;直角坐标中冻结原子;约束不一定要加在初始结构上

  优化使用笛卡尔,Z-矩阵或离域内坐标

  本征矢跟踪算法,用于过渡态和最小化

  GDIIS算法用于最小化:使到平衡结构的收敛获得极大加速

  内反应坐标跟踪:沿着反应路径的连续平衡结构和过渡态

  2. 振动光谱

  自动调用解析和数值二阶导数

  红外和拉曼强度

  输出标准的统计热力学信息

  同位素替换,用于与实验进行比较

  非谐性校正

  3. NMR屏蔽张量

  4. 自然键轨道分析

  使用NBO 4.0

  5. Stewart原子

  从分子密度重新获得原子特性

  Q-Chem用单位分解方法计算这些值

  6. 动量密度

  7. Intracules

  独特的双电子函数,提供分子中库仑能和交换能关于位置和动量的最详尽信息

  8. 分子中的原子

  利用免费的AIMPAC进行AIM分析

  9. 溶解模型

  简单的Onsager反应场模型

  Langevin偶极模型

  SS(V)PE:一种新的电解质连续模型

  10.基于Dirac-Fock理论的相对论能量校正

  11.对角绝热校正

  计算Born-Oppenheimer对角修正,研究核与电子运动绝热距离的分解

基组

  1. 高斯基组

  2. 赝势基组

  3. 用户定义的基组和赝势

  4. 基组重叠误差(BSSE)校正

QM/MM

  1. CHARMM的接口

  2. ONIUM

其他

  1. Q-Chem的功能已经完全整合到Spartan程序中,在图形用户界面下计算更容易

VASP

简介

  VASPVienna Ab-initio Simulation Package的缩写,它是使用赝势和平面波基组,进行从头量子力学分子动力学计算的软件包,它基于CASTEP 1989版开发。VAMP/VASP中的方法基于有限温度下的局域密度近似(用自由能作为变量)以及对每一MD步骤用有效矩阵对角方案和有效Pulay混合求解瞬时电子基态。这些技术可以避免原始的Car-Parrinello方法存在的一切问题,而后者是基于电子、离子运动方程同时积分的方法。离子和电子的相互作用超缓Vanderbilt赝势(US-PP)或投影扩充波(PAW)方法描述。两种技术都可以相当程度地减少过渡金属或第一行元素的每个原子所必需的平面波数量。力与张量可以用VAMP/VASP很容易地计算,用于把原子衰减到其瞬时基态中。

主要功能

  · 采用周期性边界条件(或超原胞模型)处理原子、分子、团簇、纳米线(或管)、薄膜、晶体、准晶和无定性材料,以及表面体系和固体

  · 计算材料的结构参数(键长,键角,晶格常数,原子位置等)和构型

  · 计算材料的状态方程和力学性质(体弹性模量和弹性常数)

  · 计算材料的电子结构(能级、电荷密度分布、能带、电子态密度和ELF)

  · 计算材料的光学性质

  · 计算材料的磁学性质

  · 计算材料的晶格动力学性质(声子谱等)

  · 表面体系的模拟(重构、表面态和STM模拟)

  · 从头分子动力学模拟

  · 计算材料的激发态(GW准粒子修正)

程序亮点

  1. VASP使用PAW方法或超软赝势,因此基组尺寸非常小,描述体材料一般需要每原子不超过100个平面波,大多数情况下甚至每原子50个平面波就能得到可靠结果。

  2. 在平面波程序中,某些部分代码的执行是三次标度。在VASP中,三次标度部分的前因子足可忽略,导致关于体系尺寸的高效标度。因此可以在实空间求解势的非局域贡献,并使正交化的次数最少。当体系具有大约2000个电子能带时,三次标度部分与其它部分可比,因此VASP可用于直到4000个价电子的体系。

  3. VASP使用传统的自洽场循环计算电子基态。这一方案与数值方法组合会实现有效、稳定、快速的Kohn-Sham方程自洽求解方案。程序使用的迭代矩阵对角化方案(RMM-DISS和分块Davidson)可能是目前最快的方案。

  4. VASP包含全功能的对称性代码,可以自动确定任意构型的对称性。

  5. 对称性代码还用于设定Monkhorst-Pack特殊点,可以有效计算体材料和对称的团簇。Brillouin区的积分使用模糊方法或四面体方法。四面体方法可以用Blöchl校正去掉线性四面体方法的二次误差,实现更快的k点收敛速度。