实现基于大规模凝聚相杂化密度泛函理论的从头算分子动力学 II：对等压-等焓与等压-等温系综的扩展
材料科学
2021-11-16 v2 统计力学
计算物理
摘要
在本系列的前一篇论文中[JCTC 2020, 16, 3757]，我们提出了一种基于占据空间局域化表示的理论与算法框架，该框架利用了有限带隙系统 EXX 相互作用在实空间求值中固有的稀疏性。同时详细描述了 exx——该方法在 Quantum ESPRESSO 中的大规模并行混合并行(MPI/OpenMP)实现，其可在 NVE/NVT 系综下对含 500--1000 个原子（固定正交晶胞）的凝聚相系统实现线性标度的杂化 DFT 基 AIMD，且墙钟时间成本与半局域 DFT 相当。本工作中，我们将 exx 扩展至支持在 NpH/NpT 系综下对具有一般且涨落晶胞的大规模凝聚相系统进行杂化 DFT 基 AIMD。我们的理论扩展包含了对一般晶胞系统 EXX 对应力张量贡献的解析推导，其计算复杂度随系统大小线性标度。对 exx 的相应算法扩展包括如下优化例程：(i) 处理具有非正交晶格对称性的静态/涨落晶胞，(ii) 通过在离散拉普拉斯算子的 Natan-Kronik 表示中自动选择辅助网格方向，在一般晶胞中求解泊松方程，以及 (iii) 计算 EXX 对应力张量的贡献。我们还通过冰 Ih、II、III 以及常温液态水的案例研究，跨多种不同 HPC 架构批判性地评估了扩展后 exx 模块的计算性能。我们发现扩展后的 exx 能以可忽略的成本（< 1%）计算 EXX 对应力张量的贡献，并保持了高度可扩展性，从而使我们在广泛热力学条件下对大规模凝聚相系统常规开展杂化 DFT 基 AIMD 又近了一步。
引用
@article{arxiv.2011.07209,
title = {Enabling Large-Scale Condensed-Phase Hybrid Density Functional Theory Based $Ab$ $Initio$ Molecular Dynamics II: Extensions to the Isobaric-Isoenthalpic and Isobaric-Isothermal Ensembles},
author = {Hsin-Yu Ko and Biswajit Santra and Robert A. DiStasio},
journal= {arXiv preprint arXiv:2011.07209},
year = {2021}
}
备注
30 pages and 5 figures