计算机在材料科学中的应用

材料与化工学院

2012级材料科学与工程一班

课程作业：计算机在材料科学中的应用 学生姓名： 张 硕

学生学号： 20120413310040 授课老师： 陈大明

摘要

VASP是维也纳大学Hafner小组开发的进行电子结构计算和量子力学-分子动力学模拟软件包。它是目前材料模拟和计算物质科学研究中最流行的商用软件之一。（1） 它在材料学中有广泛的运用，具有很高的使用价值。Vasp仍在不停开发中，有更多更有用的功能将会被人们开发，这会使人们对材料的研究更加透彻。

关键词

Vasp 电子结构计算和量子力学-分子动力学 材料模拟 物质科学

一．简介

VASP是维也纳大学Hafner小组开发的进行电子结构计算和量子力学-分子动力学模拟软件包。它是目前材料模拟和计算物质科学研究中最流行的商用软件之一。Vasp是基于castep（ Cambridge Sequential Total Energy Package 的缩写是一个基于密度泛函方法的从头算量子力学程序）1989版开发的。

VASP通过近似求解Schr?dinger方程得到体系的电子态和能量，既可以在密度泛函理论（DFT）框架内求解Kohn-Sham方程(已实现了混合（hybrid）泛函计算)，也可以在Hartree-Fock（HF）的近似下求解Roothaan方程。此外，VASP也支持格林函数方法（GW准粒子近似，ACFDT-RPA）和微扰理论（二阶M?ller-Plesset）。

VASP使用平面波基组，电子与离子间的相互作用使用模守恒赝势（NCPP）、超软赝势（USPP）或投影扩充波（PAW）方法描述。

VASP使用高效的矩阵对角化技术求解电子基态。在迭代求解过程中采用了Broyden和Pulay密度混合方案加速自洽循环的收敛。VASP可以自动确定任意构型的对称性。利用对称性可方便地设定Monkhorst-Pack特殊点，可用于高效地计算体材料和对称团簇。Brillouin区的积分使用模糊方法或Bl?chl改进的四面体布点-积分方法，实现更快的k点收敛。（2）

vasp中的方法基于有限温度下的局域密度近似（用自由能作为变量）以及对每一MD步骤用有效矩阵对角方案和有效混合求解瞬时电子基态。这些技术可以避免原始的方法存在的一切问题，而后者是基于电子、离子运动方程同时积分的方法。离子和电子的相互作用超缓Vinderbilt赝势(US-PP)或投影扩充波(PAW)方法描述。两种技术都可以相当程度地减少过渡金属或第一行元素的每个原子所必需的平面波数量。力与张量可以用很容易地计算，用于把原子衰减到其瞬时基态中。

二．功能

1. 采用周期性边界条件或超原胞模型处理原子、分子、团簇、纳米线 2. 计算膜管、薄膜、晶体、准晶和无定性材料，以及表面体系和固体 3.计算材料的结构参数键长，键角，晶格常数，原子位置等和构型 4.计算材料的状态方程和力学性质体弹性模量和弹性常数）

5.计算材料的电子结构能级、电荷密度分布、能带、电子态密度和 6.计算材料的光学性质 7.计算材料的磁学性质

8.计算材料的晶格动力学性质声子谱等） 9.表面体系的模拟重构、表面态和模拟） 10.从头分子动力学模拟

11.计算材料的激发态准粒子修正）

三．优点

1.VASP使用PAW方法或超软赝势，因此基组尺寸非常小，描述体材料一般需要每原子不超过100个平面波，大多数情况下甚至每原子50个平面波就能得到可靠结果。

2.在平面波程序中，某些部分代码的执行是三次标度。在VASP中，三次标度部分的前因子足可忽略，导致关于体系尺寸的高效标度。因此可以在实空间求解势的非局域贡献，并使正交化的次数最少。当体系具有大约2000个电子能带时，三次标度部分与其它部分可比，因此VASP可用于直到4000个价电子的体系。

3.VASP使用传统的自洽场循环计算电子基态。这一方案与数值方法组合会实现有效、稳定、快速的Kohn-Sham方程自洽求解方案。程序使用的迭代矩阵对角化方案（RMM-DISS和分块Davidson可能是目前最快的方案。

4.VASP包含全功能的对称性代码，可以自动确定任意构型的对称性。 5.对称性代码还用于设定Monkhcrst-Pack特殊点，可以有效计算体材料和对称的团簇。Brillouin区的积分使用模糊方法或四面体方法。四面体方法可以用校正去掉线性四面体方法的二次误差，实现更快的点收敛速度。VASP广泛使用于材料模拟研究领域，它的代码使用FORTRAN编写，具有良好的可读性，同时很方便地进行代码的修改以及与其他代码相结合使用。它的主要特点在于基组小适于第一行元素和过渡金属，对于大体系（<4000价电子）计算快，支持断点续算功能，但不能计算体系的动力学过程。

四．应用范围

某应用计算集群系统的优化集群计算技术是计算模拟的重要手段。集群是价格低廉而且方便的高性能计算方法，通过本地网络连接多台计算机来共同完成工作。集群中的计算机处于平等地位，通过相互协作完成计算。集群以较低的成本获得计算能力大幅度的提升，是高性能计算趋于平民化。集群采用并行与分布式计算技术。并行计算（，或称并行处理，平行计算）一般是指许多指令得以同时进行计算的计算模式。分布式计算（是一种把需要进行大量计算的工程数据分成小块，由多台计算机分别计算，上传运行结果后，将结果统一合并得

出数据结论的计算方式。(3)

本文所研究的应用计算集群在基础科学研究、工业工程、公益事业、国防安全等各个领域的广泛应用，解决了一些重大、关键、挑战性的重要科学和工程问题，对支撑科技创新、推动经济发展起到了重要作用。

基础科学研宄是VASP应用计算最主要的应用领域。过去的几十年里研宄人员在化学、材料科学、生命科学、固体物理、生物物理、生物化学、药物研宄等微观领域的研究中，基于量子力学方法发展了大量而可靠的非相对论薛定愕方程和相对论迪拉克方程的近似解法，用来模拟微观世界中原子和分子的相互作用和行为。例如，使用并行程序进行密度泛函理论（计算已经成为材料科学、固体物理、计算化学、计算生物学等领域内必不可少的研究手段之一；并行实现的高精度耦合簇理论（和组态相互作用（方法被许多量子化学计算程序采用，成为计算化学的主要工具；基于牛顿力学并结合了量子力学的分子动力学计算的并行实现，是生命科学、生物物理、生物化学、药物研究等领域的主要模拟手段。随着更强大、更高计算能力的应用计算集群的出现，人们可以模拟越来越大规模的微观系统、越来越长时间的微观过程、越来越精细的微观现象，从而极大的增强了对自然的认知能力。

VASP应用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、准镜和定性材料，以及表面体系和固体，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。

VASP应用计算集群主要应用于六大业务领域， 1.地质勘探：地质资料处理

2.物理化学：物质的物理化学属性的科研工作；

3.生命科学：基因科学，蛋白质科学的研宄以及新药的研发 4.材料科学：计算机辅助工程，广泛应用于材料科学研宄中； 5.气象环境海洋：气象环境海洋的数值预报 6.石油勘探：油气勘探研宄

作为材料科学与工程专业的一名本科生，我们更应该了解熟悉VASP的应用方法，以方便我们以后的学习工作生活中的研究与应用。

五．VASP的发展

VASP较的原型是Mike Payne在开发的程序包。这个程序包产生了两个分支一个是VASP，一个是CASTEP剑桥连续总能量软件包）。当VASP开始发展的时候，CASTEP这个名字还没有产生。1989年，Juergen Hafiner把的VASP原型代码从剑桥带回了维也纳，但VASP的真正开发是在1991年开始的。这个时候，CASTEP实际上己经进一步发展了很多，但是VASP是基于1989年版的CASTEP开发的，这个版本CASTEP的只支持局域腐势和Car-Parrineiio型的急速下降算法。1995年，VASP的名字被确定下来，并且成为一个稳定而通用的从头计算工具。

1996年，VASP的语言FORTRAN出现，并且开始进行MPI并行化。但是，开始进行并行化工作的人“抄袭”了CASTEP的通讯内核，从而引起了VASP和CASTEP的纠纷。1997年1月，VASP的并行化在英国完成。1998年，VASP的通讯内核被完全重写，以去除CASTEP的部分，这导致了VASP对T3D/T3E通讯不再特别有效率。1999年，投影增强波（PAW)方法被采用。

目前，维也纳大学的Juergen Hafiner和Georg Kresse研究组以及德国的研宄组共同开发并发展VASP。它是用赝势平面波方法进行分子动力学模拟的软件包。与同类的软件相比，它比较早的实现了超软赝势，计算量相对于一般的模守恒赝势方法大为减少。VASP加入了对PAW方法的支持，这使得VASP的应用更为广泛。

VASP是众多研究领域常用的计算应用软件，国内的大量研究机构都釆用 VASP作为主要计算软件平台，因此也建设了大量的应用计算集群。

由于需要处理海量数据，VASP应用计算对处理器的浮点运算能力、性能、内存容量以及带宽都有较高的要求。当前的应用计算集群体系结构的主流仍然是以Cluster集群）架构来构建大规模的并行高性能计算系统(4)。这主要得益于其高速的运算性能、良好的Linux操作系统和节点之间的兼容性，具体表现在：

1.强大的运算能力：集群的运算能力能满足大规模资料处理与解释分析的需求；GPU图形处理单元）技术的出现和发展，带来了VASP应用计算性能进一步的提升。

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)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9biw.html