Transcript Gaussian 程式與計算機結構簡介

Computer Evolution, Architectures, and
Computational Chemistry
胡維平
國立中正大學化學暨生物化學系
An Early Computer
ENIAC, 1947
US Army
27 ton
63 m2
5 kHz
~400 FLOP
150 kW
Cray-2 Computer
1985 Cray-2
250 MHz
1.9 GFLOP
256 MW
1.5 m X 2.0 m
PC Evolution
Year
CPU
Clock
Memory
HD
1986
IBM XT
4.77 MHz
640 KB
20 MB
1988
IBM AT
12 MHz
2 MB
40 MB
1989
80386
16 MHz
4 MB
80 MB
1991
80486
33 MHz
8 MB
80 MB
1997
Pentium
100 MHz
64 MB
20 GB
PC Evolution
Year
CPU
Clock
Memory
HD
1998
Pentium II
400 MHz
512 MB
80 GB
2000
Pentium III
733 MHz
1 GB
120 GB
2002
Pentium 4
2.4 GHz
2 GB
200 GB
2006
Core 2 Quad
2.8 GHz
8 GB
500 GB
2009
i7-920
3.8 GHz
12 GB
1 TB
2014
i7-4930 K
4.5 GHz
64 GB
3 TB
22 nm
32 nm
45 nm
250 nm
(Pentium)
FLOPS
(double precision)
Intel 8088/8087: 1 M
GPU?
Performance/Cost
Cray 2: 2G
From TOP500 (2014):
Blue Gene/Q: 17.17 P (3rd)
Cray Titan: 17.59 P (2nd)
NUDT Tianhe-2: 33.86 (1st)
ALPS (NCHC 御風者):
25600 cores, 177 TFlop (303)
SETI@Home: 668 T
Folding@Home: 45 P
Cluster Computing
Architecture
Workstation
Architecture
國家高速網路與計算中心
NCHC 御風者
ALPS —
Acer AR585 F1 Cluster
25,600 compute cores
177 TFlops
Processors:
AMD Opteron 6174, 12 cores,
2.2GHz (compute nodes)
AMD Opteron 6136, 8 cores,
2.4GHz (fat nodes)
Main Memory (per node):
128 GB (compute nodes)
256 GB (fat nodes)
US$ 10,000,000
中國國家超級計算廣州中心
Tianhe-2
16,000 compute nodes (3,120,000 cores)
33.9 PFlops
Processors (per node)
Two Intel Xeon E5, 12 cores, 2.2 GHz
Three Intel Phi, 57 cores, 1.1 GHz
Main Memory (per node)
88 GB (compute nodes)
US$ 100,000,000
Programs for Quantum Chemical Calculation
Gaussian 80, 86, 88, 90, 92, 94, 98, 03, 09
Molpro
Gamess
ACESII
Q-Chem (Spartan)
Turbomol
NWChem
CASTEP
VASP
Methods for Quantum Chemical Calculation
• Density Functional Theory
LSDA  GGA  Hybrid GGA  Double-Hybrid-Meta GGA
• Ab Initio Theory (Latin, “from the beginning”)
HF, AM1, PM3  MP2  QCISD(T), CCSD(T), BD(T)
Gaussian-n, CBS, Wn
CIS  TD-DFT  EOM-CCSD, CCn
CASSCF  CASPT2  MRCI  MRCI-PT2
• Hybrid Methods
MCG3-DFT, MLSE-DFT
• Semiempirical
ZINDO, CNDO, INDO/S, MNDO, AM1, PM3, PM6
Gaussian 軟體簡介
• 由 John Pople 研究團隊 (Carnegie-Mellon University)自
1970 年以來持續發展的一套多功能量子化學計算軟體.
• 使用 Gaussian-type atomic orbitals 取代 Slater-type
orbitals，因此命名為 Gaussian
• 原本可由 Quantum Chemistry Program Exchange
(Gaussian 80, QCPE)取得，1987 年後成立 Gaussian Inc.
• John Pople (1925-2004) 於 1998 與 Walter Kohn 共同獲
得諾貝爾化學獎。
• Gaussian 為目前世界上功能最齊全，使用最廣的量子化
學計算軟體，最新版本為 Gaussian 09, Rev. D01
Gaussian 09 適用平臺及主要功能
• 若取得 source-code license 可編譯成適用各種電腦系統
(IBM, SGI, HP, PC/Linux)的執行程式，可使用shared
memory 或distributed memory (需 Linda)平行化。
• 近年來也開發出適用於 Windows 以及 OS X 的平行化
版本。
• 除了多種 ab initio (wavefunction)方法外，亦可從事
DFT, Semiempirical, MM 等方法的計算。
• 可預測分子能量，結構，多種熱力學性質，光電磁學
性質，激發態及光譜性質，溶劑效應等。
Gaussian 09 使用要點
• 基本上，除了MM方法外，Gaussian 的計算是用各種不
同的近似方法求解薛丁格方程式: HΨ = EΨ，再從波函
數求得其他相關化學或物理性質。
• 以近似法求解多電子分子波函數及其性質通常需要大
量複雜的數值運算與大量的記憶體與硬碟空間。運算
的需求量通常至少與系統大小的四次方成正比。
• 愈準確的理論方法所需要的計算資源愈多，根據系統
的大小要慎選所使用的理論方法才能得到有意義計算
結果。
Gaussian 09 使用要點
• 使用者需自行準備Gaussian 輸入檔 (input file)，其中需
包含分子結構，電荷，電子自旋多重度以及所選擇的
理論方法，以及希望預測的性質。
• 通常 G09 計算需要一段時間才能完成，除測試外，建
議在背景中執 行或使用批次檔送至主機中的排程系統
(Queuing System)。
• 使用者可在輸入檔中指定在主機容量下足夠的記憶體
大小，以及平行處理的核心數目，以增進計算效率。
• Gaussian 程式本體以及計算時的暫存檔 (scratch files)強
烈建議規劃於本機硬碟中，不要使用 Network File
System (NFS) 的空間，暫存檔 建議使用 Raid 0 陣列。
用什麼電腦執行 Gaussian 09
• 請勿使用無版權或來路不明的 G09 程式。
• 個人電腦擁有 1 GB 以上 memory，i-Core 2 以上CPU 就
可執行簡單的Gaussian 計算 (G09W)，但32位元的程式
效率與功能都不理想，在 Window 上執行並不順暢。
• 相同的電腦硬體，使用 Linux 作業系統執行 64位元
Gaussian 09 程式會遠比 Window 系統洽當，也更能發
揮平行處理效能。
• 除了在 NCHC 主機上執行外，若研究單位購置了 site
license，也可自行組裝Linux Workstation，建議使用i74930K 或 4790K，32/64 GB DDR3 RAM，SATA-3 HD
或 SSD Raid-0 陣列，價格5-7 萬元，但 P/C 較NCHC 主
機略差。