计算机在材料科学中的应用(2)

2025-10-30

2.较高的I/O性能:在运行过程中,每个作业需要约数十GB的存储空间存放临时文件,并对这些临时文件进行频繁的读写操作,因而对系统I/O的性能提出要求较高;

3.高性能管理:除了处理超大规模的计算任务外,还要支持多用户、多作业的能力,这就要求系统具有强大的资源管理和作业调度功能,以应对作业的自动调度、优先级管理,用户的资源分配等要求;

4.较强的系统扩展能力:随着研究与业务的发展,原有应用程序的计算规模必定涉及到系统扩展问题,不仅是硬件或计算能力的增加,而且要求新增系统能充分地融合到现有的系统中。

VASP应用计算集群系统需要考虑软硬件一体化发展问题。目前应用计算的硬件发展迅速,但软件方面的缺失仍是应用计算效率提高的瓶颈,如何解决“软硬失衡”问题,也是应用计算方面的研究热点。

无论在国内还是国外,计算集群性能比的都是系统的潜能,即理论运算峰值速度及Linpack基准测试性能,但它们却无法反映计算的实用性能。实际上,对于很多科研院所、高校、企业等集群计算应用机构来说,因为软件、配置、管理等因素导致其集群计算系统应用效率低下的例子比比皆是。一些用户集群计算系统的硬件规模虽然在不断扩展,但其实际计算力却没有明显提升,又或是现在拥有几百个甚至上千个计算核心的计算集群系统虽然大量涌现出来,但是能充分利用其性能的应用软件却是少之又少。(5)

西方国家在硬件制造和软件开发方面相对比较平衡,而我国应用计算产业呈现的却是机器大、软件差,软硬失衡的格局,有人将之形象地比喻为“瘸子走路”。软件开发和应用水平的提高,取决于多方面的因素,一是目前我们还缺乏对规模更大、精度更高的计算模型及算法的研宄,它们在传统应用用户如石油、气象、航天等领域有巨大的需求;二是政府、软件开发商对多核处理器的支持力度不够,投入不足;三是我国专业软件开发的人员少,队伍还不够固定。

国内相关研究机构现有的VASP应用计算集群和数据交换网络仍然存在着诸多的问题,例如计算模型不够优化,VASP应用计算集群系统设计不合理,缺乏数据传输安全保障手段等等。

计算模型不够优化,VASP应用计算集群系统设计不合理都会影响到数据计算的准确性和计算效率,从而导致最终的数据分析结果的偏离正确方向,造成严重的后果。因此,需要建立完善的机制来保证数据计算环境的高性能、高可靠性和足够的安全性,所以在深部岩土力学研究息化工作的整体框架中,建立基础深部岩土力学研宄数据的保障体系成为必不可少的组成部分。

六.VASP与其他几种软件的区别

vasp一般采用周期性边界条件来处理原子、分子、团簇、纳米线,薄膜、晶体、准镜和我定性材料,以及表面体系,也太体系和固体,可以计算材料的结构参数和构型、状态方程和力学性质、电子结构、光学、磁学和晶格动力学性质等等。

Materials studio可以进行构型优化、性质预测和X射线衍射分析,以及复杂的动力学模拟和量子力学等方面的计算。有Materials Visualizer、Discover、COMPASS、Amorphous Cell、Reflex、Reflex Plus、Equilibria、DMol3、CASTEP等模块,分别由各自的擅长领域。

Gauss可以计算分子能量和结构、过渡态能量和结构、键和反应能量、分子轨道、多重矩、原子电荷和电势、振动频率、红外和拉曼光谱、核磁性质、极化率和超级化率、热力

学性质和反应路径等等,计算可以对体系的基态或激发态执行 ,可以预测周期性体系的能量、结构和分子轨道。

七.VASP实际应用案列

为了了解VASP软件的实际应用,我阅读了一篇文献进行参考

缺陷对RRAM 材料阻变机理的影响(6)

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理和VASP仿真软件,分析了阻变随机存储器(RRAM)阻变效应的物理机制。对比计算了单斜晶相HfO 中Ag掺杂体系、氧空位缺陷体系和Ag及氧空位缺陷共掺杂复合缺陷体系的能带、态密度、分波电荷态密度面和形成能,结果表明在相同浓度下Ag掺杂体系能形成导电通道,而氧空位缺陷体系不能形成导电通道;共掺杂体系中其阻变机制以Ag传导为主,氧空位缺陷为辅,且其形成能变小,体系更加稳定。计算共掺杂体系的布居数和迁移势垒,得出在氧空位缺陷存在的前提下,Ag~O键长明显增加,Ag离子的迁移势垒变小,电化学性能增强。进一步计算了缺陷问的相互作用能,其值为负,表明缺陷间具有相互缔合作用,体系更加稳定。

使用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理及VASP软件包对RRAM 器件进行研究,对离子实和价电子之间的相互作用采用缀加投影波方法(pro—jector augmented wave,PAW),电子之间的交换关联势采用广义梯度近似(generalized gradient approxi—mation,GGA) 。以单斜晶HfO 载体,先对单胞进行优化,在此基础上构造96原子的2×2×2超晶胞结构,平面波截断能设为400eV,每个原子力的收敛标准设置每个原子<0.001eV/A。

为了证实自己的猜想,研究人员使用了VASP软件进行了实验。对离子实和价电子之间的相互作用采用缀加投影波方法。得到实验数据,并对实验结果进行科学的分析与研究证实了紫的猜想

八.对VASP未来的展望

随着材料科学研究信息化的不断发展,特别是各种数据系统的建立,对于VASP应用计算集群系统及相关网络基础设施平台的要求将不断提高,需要对其进行不断的优化和完善,为实现材料研究的全面信息化的发展目标提供坚实的基础。

随着VASP软件包在各行各业广泛应用,各类研究机构也相应地开始越来越多地建设应用计算集群。建设VASP应用计算集群,硬件环境的建设固然重要,但是VASP软件体系的建设和优化更加重要。

随着研宄人员对VASP应用软件包的不断深入研宄,VASP应用计算集群的建设也必将更加规范和科学,实现更好的并行计算性能,更高的计算精度和更高管理效率,为各行各业的数据计算和研宄带来更多助力,将各类研宄课题推向新的高度。

九.理解与感悟

通过对计算机科学在材料中的应用这门课程的学习以及对VASP软件的学习与了解,

我对材料研究的认识提高的了一个新的层次。以前,我认为材料的研究更多的,更主要的研究方法方式是通过实验去分析去研究,而计算机知不是过方便人们研究的一种手段。通过对VASP软件的了解和对这门课的学习,我发现计算机在材料研究中也起着至关重要的作用。运用的VASP和其他软件可以大大提高对材料研究的水平与效率。希望自己以后可以熟练应用这些软件来帮助自己进行材料研究,也希望这些软件可以更好地开发以便于人们利用。

参考文献

(1)百度百科 (2)百度百科 (3)李波,曹福毅,王祥凤高性能技术发展概述沈阳工程学院学拫自然科学版,2012,08,03

(4)曾宇,王洁中国高性能计算机技术及标准现状分析信息技术与标准化,2006,10,09 (5)高性能计算领域软硬件失衡加剧 2009 ,12, 21

(6)杨 金 ,代月花 ,徐太龙 ,蒋先伟 ,许会芳 ,卢金龙 ,罗 京 ,陈军宁(1.安徽大学电子信息工程学院,安徽合肥230601;2.淮北师范大学物理与电子信息学院,安徽淮北235000)


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