基于局域軌道的第一性原理軟件發(fā)展和應用.pdf

1、隨著超級計算機硬件和數值算法的迅速發(fā)展，基于密度泛函理論的第一性原理方法在凝聚態(tài)物理、材料科學、化學和生物等研究領域變得越來越重要。目前密度泛函理論發(fā)展的兩個重要方向:一個是泛函理論的發(fā)展，目的是得到更精確的計算結果;另外一個是數值方法的發(fā)展，是為了能夠研究更大尺寸的材料體系。平面波基組和贗勢方法的結合，使得密度泛函理論可以用來處理上百個原子的系統。而數值原子軌道基組的出現和不斷發(fā)展，使得精確計算更大尺寸的系統成為可能。第一性原理計算軟

2、件在密度泛函理論的發(fā)展過程中一直扮演著重要的角色:一方面它可以為新算法提供實現的平臺;另一方面它是連接密度泛函理論和實際科學問題的紐帶。本文作者所在課題組從零開始研發(fā)了一款基于數值原子軌道基組的第一性原理計算軟件包Atomic-orbital Based Ab-initio Computation at UStc(ABACUS)，旨在研究成百上千個原子的電子結構性質。本文作者在攻讀博士期間，以發(fā)展和應用基于數值原子軌道基組的第一性原理軟

3、件為研究課題，研究的重點主要是軟件中新的算法的實現和軟件的性能優(yōu)化，以及使用第一性原理軟件進行科學問題的研究。在實現新算法和對軟件進行性能優(yōu)化的過程中，作者對第一性原理軟件的結構有了比較全面、清晰的認識，積累了豐富的經驗。
　　本論文取得的成果主要有:1、實現了Pulay-Kerker的電荷密度混合方法和電荷密度的二階插值方法，加快了電子迭代的收斂速率，提高了計算效率。2、優(yōu)化了計算電荷密度矩陣的算法，提速了幾十倍;與他人合作一起

4、優(yōu)化了格點積分，提速4～5倍;與他人合作實現與Eigenvalue SoLvers for Petaflop-Applications(ELPA)的接口，將矩陣對角化提速3～5倍。3、經過反復的性能和benchmark測試，最后得到了準確、穩(wěn)定、高效的基本功能齊全的軟件包，并開源發(fā)布，希望與國內外同行合作交流，促進第一性原理軟件的發(fā)展和應用。4、應用ABACUS對地球化學領域關心的平衡同位素分餾進行了第一性原理的研究，得到了與實驗一致的