Qbox

Qbox
Оригинальный автор(ы)	Франсуа Жижи
Разработчик(и)	Франсуа Жижи, Иван Дюшемен, Джун Ву, Куан Ван, Уильям Доусон, Мартин Шлипф, Хэ Ма, Майкл ЛаКаунт
Первоначальный выпуск	2003 ; 22 года назад ( 2003 )
Стабильный релиз	1.73.3 / 20 августа 2021 г. ; 3 года назад ( 2021-08-20 )
Репозиторий	github.com/qboxcode
Написано в	С++
Операционная система	Unix , Unix-подобные , FreeBSD
Лицензия	GPL
Веб-сайт	qboxcode.org

Qbox — это программный пакет с открытым исходным кодом для моделирования молекул , жидкостей и твердых тел в атомном масштабе . Он реализует первые принципы (или ab initio ) молекулярной динамики , метод моделирования , в котором межатомные силы выводятся из квантовой механики . Qbox выпускается под лицензией GNU General Public License (GPL) с документацией, предоставленной по адресу http://qboxcode.org. Он доступен как порт FreeBSD . ^[1]

Основные характеристики

Молекулярная динамика Борна-Оппенгеймера в микроканоническом (NVE) или каноническом ансамбле (NVT)
Молекулярная динамика Кар-Парринелло
Ограниченная молекулярная динамика для термодинамической интеграции
Эффективное вычисление максимально локализованных функций Ванье
GGA и гибридные приближения функционала плотности (LDA, PBE, SCAN, PBE0, B3LYP, HSE06, ...)
Электронная структура в присутствии постоянного электрического поля
Расчет электронной поляризуемости
Электронный ответ на произвольные внешние потенциалы
Инфракрасная и рамановская спектроскопия

Методы и приближения

Qbox вычисляет траектории молекулярной динамики атомов, используя уравнения движения Ньютона, с силами, полученными из расчетов электронной структуры , выполненных с помощью теории функционала плотности . Моделирование может выполняться либо в приближении Борна-Оппенгеймера , либо с использованием молекулярной динамики Кар-Парринелло . Основное электронное состояние вычисляется на каждом временном шаге путем решения уравнений Кона-Шэма . Могут использоваться различные уровни приближений теории функционала плотности , включая приближение локальной плотности (LDA), обобщенное градиентное приближение (GGA) или гибридные функционалы , которые включают часть обменной энергии Хартри-Фока . Электронные волновые функции разлагаются с использованием базисного набора плоских волн . Взаимодействие электронов с ионами представлено псевдопотенциалами .

Примеры использования

Электронные свойства наночастиц ^[2]
Электронные свойства водных растворов ^[3]
Свободный энергетический ландшафт молекул ^[4]
Инфракрасные и рамановские спектры водорода при высоком давлении ^[5]
Свойства границ раздела твердое тело-жидкость ^[6]

Архитектура кода и реализация

Qbox написан на C++ и реализует параллелизм с использованием как интерфейса передачи сообщений (MPI), так и интерфейса программирования приложений OpenMP . Он использует библиотеки BLAS , LAPACK , ScaLAPACK , FFTW и Apache Xerces . Qbox был разработан ^[7] для работы на массивно-параллельных компьютерах, таких как суперкомпьютер IBM Blue Gene или суперкомпьютер Cray XC40 . В 2006 году он был использован для установления рекорда производительности ^[8] на компьютере BlueGene/L, установленном в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса .

Интерфейс с другим программным обеспечением для моделирования

Функциональность Qbox может быть улучшена путем объединения его с другим программным обеспечением для моделирования с использованием клиент-серверной парадигмы. Примеры связанных операций Qbox включают:

Расчеты свободной энергии : в сочетании с программным пакетом для расширенного ансамблевого моделирования (SSAGES).
Расчеты энергии квазичастиц : в сочетании с программным пакетом WEST для многочастичных возмущений.
Моделирование квантовых траекторий интегралов : в сочетании с универсальным силовым движком i-PI.

Смотрите также

Ссылки

^ "Поиск портов FreeBSD".
^ Арин Р. Гринвуд; Мартон Вёрёш; Федерико Джиберти; Джулия Галли (2018). «Возникающие электронные и диэлектрические свойства взаимодействующих наночастиц при конечной температуре». Nano Letters . 18 (1): 255– 261. Bibcode : 2018NanoL..18..255G. doi : 10.1021/acs.nanolett.7b04047. OSTI 1421969. PMID 29227689.
^ Туан Ань Фам; Марко Говони; Роберт Зайдель; Стивен Э. Брэдфорт; Эрик Швеглер; Джулия Галли (2017). «Электронная структура водных растворов: преодоление разрыва между теорией и экспериментами». Science Advances . 3 (6): e1603210. Bibcode :2017SciA....3E3210P. doi :10.1126/sciadv.1603210. PMC 5482551 . PMID 28691091.
^ Эмре Севген; Федерико Джиберти; Хайтем Сидки; Джонатан К. Уитмер; Джулия Галли; Франсуа Джиджи; Хуан Дж. де Пабло (2018). «Иерархическое сопряжение молекулярной динамики первых принципов с передовыми методами отбора проб». Журнал химической теории и вычислений . 14 (6): 2881−2888. doi :10.1021/acs.jctc.8b00192. PMID 29694787.
^ Чуньи Чжан; Цуй Чжан; Мохан Чен; Вэй Кан; Чжуовэй Гу; Цзяньхэн Чжао; Цанли Лю; Чэнвэй Сунь; Пин Чжан (2018). «Инфракрасные и рамановские спектры водорода высокого давления при конечных температурах из первых принципов молекулярной динамики». Физический обзор B . 98 (14): 144301. Бибкод : 2018PhRvB..98n4301Z. doi : 10.1103/PhysRevB.98.144301. S2CID 125608611.
^ Ренгин Пекос; Давиде Донадио (2017). «Диссоциативная адсорбция воды на ступенчатых металлических поверхностях (211) с помощью моделирования из первых принципов». Журнал физической химии C. 121 ( 31): 16783– 16791. doi :10.1021/acs.jpcc.7b03226. S2CID 103934369.
^ Франсуа Жижи (2008). «Архитектура Qbox: масштабируемый код молекулярной динамики на основе первых принципов». IBM Journal of Research and Development . 52 (1, 2): 137– 144. doi :10.1147/rd.521.0137. ISSN 0018-8646.
^ «Суперкомпьютер установил новый рекорд производительности».

Внешние ссылки

Официальный сайт
Qboxcode на GitHub

[1] "Поиск портов FreeBSD".

[2] Арин Р. Гринвуд; Мартон Вёрёш; Федерико Джиберти; Джулия Галли (2018). «Возникающие электронные и диэлектрические свойства взаимодействующих наночастиц при конечной температуре». Nano Letters . 18 (1): 255– 261. Bibcode : 2018NanoL..18..255G. doi : 10.1021/acs.nanolett.7b04047. OSTI 1421969. PMID 29227689.

[3] Туан Ань Фам; Марко Говони; Роберт Зайдель; Стивен Э. Брэдфорт; Эрик Швеглер; Джулия Галли (2017). «Электронная структура водных растворов: преодоление разрыва между теорией и экспериментами». Science Advances . 3 (6): e1603210. Bibcode :2017SciA....3E3210P. doi :10.1126/sciadv.1603210. PMC 5482551 . PMID 28691091.

[4] Эмре Севген; Федерико Джиберти; Хайтем Сидки; Джонатан К. Уитмер; Джулия Галли; Франсуа Джиджи; Хуан Дж. де Пабло (2018). «Иерархическое сопряжение молекулярной динамики первых принципов с передовыми методами отбора проб». Журнал химической теории и вычислений . 14 (6): 2881−2888. doi :10.1021/acs.jctc.8b00192. PMID 29694787.

[5] Чуньи Чжан; Цуй Чжан; Мохан Чен; Вэй Кан; Чжуовэй Гу; Цзяньхэн Чжао; Цанли Лю; Чэнвэй Сунь; Пин Чжан (2018). «Инфракрасные и рамановские спектры водорода высокого давления при конечных температурах из первых принципов молекулярной динамики». Физический обзор B . 98 (14): 144301. Бибкод : 2018PhRvB..98n4301Z. doi : 10.1103/PhysRevB.98.144301. S2CID 125608611.

[6] Ренгин Пекос; Давиде Донадио (2017). «Диссоциативная адсорбция воды на ступенчатых металлических поверхностях (211) с помощью моделирования из первых принципов». Журнал физической химии C. 121 ( 31): 16783– 16791. doi :10.1021/acs.jpcc.7b03226. S2CID 103934369.

[7] Франсуа Жижи (2008). «Архитектура Qbox: масштабируемый код молекулярной динамики на основе первых принципов». IBM Journal of Research and Development . 52 (1, 2): 137– 144. doi :10.1147/rd.521.0137. ISSN 0018-8646.

[8] «Суперкомпьютер установил новый рекорд производительности».