基于 GW 近似的从头算量子输运：42,240 个原子与持续百亿亿次性能
分布式、并行与集群计算
2025-08-27 v1 介观与纳米尺度物理
计算工程、金融与科学
摘要
设计诸如当前制造的纳米带场效应晶体管 (NRFET) 等纳米级电子器件，需要能够捕捉所有相关量子力学效应的先进建模工具。最先进的方法结合了非平衡格林函数 (NEGF) 形式理论与密度泛函理论 (DFT)。然而，由于器件尺寸不再超过几纳米，电子被限制在超小体积内，从而产生强烈的电子-电子相互作用。为了考虑这些关键效应，DFT+NEGF 求解器应扩展 GW 近似，这极大地增加了其计算强度。在此，我们首次实现了能够处理尺寸与实验相当的 NRFET 几何结构的 NEGF+GW 方案。这个名为 QuaTrEx 的软件包采用了一种新颖的空间域分解方案，能够处理多达 84,480 个原子的器件，在 Alps 和 Frontier 超级计算机上展现出优异的扩展性（弱扩展效率 >80%），并在 42,240 个原子的模拟中实现了持续的百亿亿次 FP64 性能（1.15 Eflop/s）。
引用
@article{arxiv.2508.19138,
title = {Ab-initio Quantum Transport with the GW Approximation, 42,240 Atoms, and Sustained Exascale Performance},
author = {Nicolas Vetsch and Alexander Maeder and Vincent Maillou and Anders Winka and Jiang Cao and Grzegorz Kwasniewski and Leonard Deuschle and Torsten Hoefler and Alexandros Nikolaos Ziogas and Mathieu Luisier},
journal= {arXiv preprint arXiv:2508.19138},
year = {2025}
}