高温极端条件下从头计算分子动力学的并行算法及实现

从头计算分子动力学方法是电子结构计算发展史上的里程碑，它的开创和发展深刻影响着固体、液体和分子的计算方法。然而它的应用范围一直限制在相对低温（10万K量级以下）的区域，对于温度在百万K以上的高能量密度物质的应用还有待改进。本项目针对从头计算分子动力学在高温应用中的局限性开展数值计算研究，包括：高温极端条件下从头计算分子动力学的物理建模；从头计算分子动力学在高温下的并行算法设计；从头计算分子动力学的高温并行软件模块实现等。我们将在现有开源从头计算分子动力学程序框架下，创新高温极端条件下从头计算分子动力学的并行算法，建立高温极端条件下电子结构计算的新模式。项目的目标是克服从头计算分子动力学现有程序在高温极端条件下应用的不足，形成适用于高温极端条件的从头计算分子动力学并行软件模块，为计算高能量密度物质的物理状态提供有效的解决途径。

本项目针对从头计算分子动力学的并行算法开展研究，从朗之万分子动力学方程出发，探讨了含温度的自洽场迭代并行算法。通过高性能计算平台上的从头计算分子动力学并行计算研究，将从头计算自洽场迭代计算方法应用于具有物理应用背景的物质计算问题，在高性能计算平台上开展了密度泛函自洽场迭代求解，获得了多项有意义的成果。共发表SCI论文9篇，出国参加国际学术会议2次；项目负责人指导研究生4名，协助指导2名硕士研究生获得硕士学位；获得湖南省自然科学优秀论文奖1项。. 从朗之万分子动力学方程出发，开展了高温条件下从头计算分子动力学的物理模型研究，探索了通过Verlet算法求解含温度参数的郎之万动力学方程的快速并行解法。在高性能集群平台上探索了适应于从头计算分子动力学的并行计算环境构建，包括MPI、PGI(C、FORTRAN)、OpenMP、CUDA等多种编译、系统应用软件的安装、调试和运行。在从头计算分子动力学算法方面，探索了从头计算分子动力学基本方程即郎之万方程的数值求解算法，验证了郎之万动力学方程在分子动力学模拟中的有效性。通过运用开源的从头计算分子动力学计算程序PWSCF进行并行计算的基础上，研究了含温度的自洽场迭代并行算法，并在高性能计算平台上实现了相应的适用于高温稠密物质计算的程序应用。在此基础上，分析了异构环境因素对并行任务的影响。. 基于高性能计算平台，运用从头计算分子动力学方法开展并行计算研究，探索了从头计算自洽场迭代计算方法在不同物理背景的热点问题应用。如二维六角氮化硼、石墨烯、硅烯、六角氮化硼和石墨烯异质双原子层等二维纳米体系的物理性质计算；磁性的Ni(111)表面的计及自旋极化的密度泛函平面波赝势计算等。还探索了基于小波基函数的密度泛函从头计算方法，实现了相应程序在高性能计算平台上的GPU加速计算；运用该方法研究了硅太阳能电池材料中可能存在的各种硼氧复合物的缺陷形成能、微观结构和电荷分布，揭示了硅体系中各种硼氧复合物的化学成键特征。