——超大系统第一性原理计算可以处理超出传统方法100～1,000倍数量的原子

物质由原子构成，其物理性质取决于原子与电子之间复杂的相互作用。理论研究者可以借助量子力学计算物质中原子间的相互作用力以及电子的运动方式。建立在量子力学上的第一性原理，被特别作为一个强大的工具，广泛应用于物质与材料在原子尺度上的各种性能的表征与解释。
 
然而，由于复杂程度高，使得模拟所需要的时间随着总原子数目呈立方指数增加，在传统情况下，根据第一性原理建立的系统大多只能包含几百个原子的大小。而现在，一个由David Bowler、日本国立研究所和伦敦大学学院伦敦纳米技术中心以及日本国立研究所的Tsuyoshi Miyazaki领导的小组成功发明出一种可以进行高效超大动力学系统模拟的第一性原理计算方法，可以模拟超出传统方法100～1,000倍原子数目的系统（达到百万原子级别）。这种方法提供了一条可以对生物大分子、复杂物质（包括纳米材料）进行原子或电子结构计算的途径，而这些是传统方法所不能完成的。
 
他们的研究小组把第一性原理计算应用到了高效大规模动力学系统。通过引入一项新的技术使计算所需的时间随着原子数量呈线性增加，并且利用超级计算机“K computer”和安装在RIKEN与东京大学的FX10各自成功地完成了包含超过300, 000个原子系统的第一性原理计算，这一数量级是用传统方法所能达到的100倍。他们的成果将会铺平百万原子量级超大系统的第一性原理计算的道路。
  图1  超级计算机“K computer”通过O(N)方法用第一性原理计算程序所需的时间（1CPU=8核）。计算是在硅原子系统上进行的。水平坐标轴显示的是原子数目，表明百万原子级别第一性原理计算是可行的。O(N)方法结合并行计算通过增加一倍CPU的数量（两倍的CPU可以处理两倍数量的原子）可以在相同时间内计算包含两倍数量的原子。
  图2  通过第一性原理计算得到的水介质中DNA的一个瞬间空间结构。通过第一性原理计算，可以得到各原子之间的相互作用力（与日本国立研究所共同研究）。


来源：材料与测试网
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译者： haige


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