Масштабируемость квантовохимических расчетов кристаллических материалов на суперкомпьютере "Торнадо ЮУрГУ"

Ирина Дмитриевна Юшина, Юрий Васильевич Матвейчук, Екатерина Владимировна Барташевич

Аннотация


В работе обсуждаются рекомендации по рациональному использованию вычислительных ресурсов суперкомпьютера "Торнадо ЮУрГУ" для решения квантовохимических расчетных задач c учетом периодических граничных условий в программе CRYSTAL17. Решение таких задач необходимо для моделирования структуры и свойств кристаллов и, углеродных материалов. Проанализированы данные о временных характеристиках квантовохимических расчетов материалов различного состава и структуры, как для простых систем, таких, как трехмерный силицированный графит, так и для двумерных поверхностей углеродных материалов с диглицидиловым эфиром бисфенола A в роли сорбированной молекулы. Определены различия в масштабируемости расчетов в зависимости от их типа, размера периодически повторяющегося фрагмента структуры (элементарной ячейки), ее симметрии и входных параметров многоэлектронной системы, моделируемой на основе теории функционала электронной плотности в различных приближениях. Установлены рекомендуемые оптимальные параметры для различных типов химических и материаловедческих задач, решаемых в целях разработки цифровых двойников материалов. Обнаружено, что для относительно больших систем критическим является существенное увеличение требующегося объема временных файлов с увеличением числа используемых узлов, что приводит к неоптимальному режиму расчетов и возможному сбою. Показано, что масштабируемость расчетов колебательных характеристик кристаллов существенно ниже, чем для расчетов, направленных на поиск наиболее энергетически выгодной структуры кристалла, независимо от числа атомов в элементарной ячейке вычисляемой структуры.

Ключевые слова


цифровой двойник материалов; квантово-химические расчеты; функциональные материалы; оптимизация вычислений; масштабируемость

Полный текст:

PDF

Литература


Xiang F., Zhang Z., Zuo Y., Tao F. Digital Twin Driven Green Material Optimal-Selection towards Sustainable Manufacturing. Procedia CIRP. 2019. Vol. 81, no. 1. P. 1290–1294. DOI: 10.1016/j.procir.2019.04.015.

Noel Y., D’Arco P., Demichelis R., et al. On the use of symmetry in the ab initio quantum mechanical simulation of nanotubes and related materials. Journal of Computational Chemistry. 2010. Vol. 31, no. 4. P. 855–862. DOI: 10.1002/jcc.21370.

Civalleri B., D’Arco P., Orlando R., et al. Hartree-Fock geometry optimisation of periodic systems with the CRYSTAL code. Chemical Physics Letters. 2001. Vol. 348, no. 1. P. 131–138. DOI: 10.1016/s0009-2614(01)01081-8.

Dovesi R., Pascale F., Civalleri B., et al. The CRYSTAL code, 1976–2020 and beyond, a long story. Journal of Chemical Physics. 2020. Vol. 152, no. 1. P. 204111. DOI: 10.1063/5.0004892.

Bandura A., Evarestov R. Nonempirical methods of modeling of crystals with atomic basis set using parallel calculations. Saint Petersburg: Publishing of Saint Petersburg University, 2004. 228 p. (in Russian).

Pascale F., Zicovich-Wilson C., Gejo F.L., et al. The calculation of vibrational frequencies of crystalline compounds and its implementation in the CRYSTAL code. Chemical Physics Letters. 2004. Vol. 25, no. 6. P. 888–897. DOI: 10.1002/jcc.20019.

Lohse M.S., Bein T. Covalent Organic Frameworks: Structures, Synthesis, and Applications. Advanced Functional Materials. 2018. Vol. 28, no. 33. P. 1705553. DOI: 10.1002/adfm.201705553.

Dolganina N., Ivanova E., Bilenko R., Rekachinsky A. HPC Resources of South Ural State University. Parallel Computational Technologies. PCT 2022. Communications in Computer and Information Science. Springer, 2022. DOI: 10.1007/978-3-031-11623-0_4.




DOI: http://dx.doi.org/10.14529/cmse220304