第五章分子结构III计算化学基础（讲座）Introduction to Computational Chemistry
第五章 分子结构Ⅲ 计算化学基础(讲座) Introduction to Computational Chemistry
S5.0计算化学发展背景5.0.1计算机的发展一硬件背景计算机的硬件和其他技术高速发展CPU能力GPU技术多核技术并行技术计算速度高速增长TeslaH100SXM67TFlopssxeon6900P128核BlueGene/L135.58.74TFlops大量原来无法想象的计算可以轻易完成
§5.0 计算化学发展背景 5.0.1 计算机的发展—硬件背景 大量原来无法想象的计算可以轻易完成 计算机的硬件和其他技术高速发展 计算速度高速增长 CPU能力 多核技术 GPU技术 并行技术 xeon 6900P 128核 Tesla H100SXM 67 TFlops v.s. Blue Gene/L 135.58.74TFlops
CM-5/1024Fujitsu NumericalASCIRedASClWhiteAtLosAlamos1997.6~2000.102000.11~2002.5WindTunnel1993.061993.11~1997.5曾经的 Top 1BlueGene/LThe EarthSimulatorIBMRoadrunnerJaguar2004.11~2008.102009.11~2010.102002.6~2004.102008.11~2009.10
CM-5/1024 At Los Alamos 1993.06 Fujitsu Numerical Wind Tunnel 1993.11~1997.5 ASCI Red 1997.6~2000.10 ASCI White 2000.11~2002.5 The Earth Simulator 2002.6~2004.10 Blue Gene/L 2004.11~2008.10 IBM Roadrunner 2008.11~2009.10 Jaguar 2009.11~2010.10 曾 经 的 Top 1
SKComputerSequoiaRIKENAdvancedInstituteforLawrenceLivermoreNationalLaboratory2012.6ComputationalScience2011.6~2011.11曾经的Top1TitanTianhe-2(MilkyWay-2)Oak Ridge National LaboratoryNationalSuperComputerCenterinGuangzhou2012.112013.6~2016.6
K Computer RIKEN Advanced Institute for Computational Science 2011.6~2011.11 Sequoia Lawrence Livermore National Laboratory 2012.6 Titan Oak Ridge National Laboratory 2012.11 Tianhe-2 (MilkyWay-2) National Super Computer Center in Guangzhou 2013.6~2016.6 曾 经 的 Top 1
Sunway TaihuLightSummitSupercomputerFugakuNational SuperComputer Center in WuxiOak Ridge National LaboratoryRIKENCenterforComputationalScience2016.6~2017.112018.6~2019.112020.6~2021.11ChnostmenFRONTIERELRPITAO-4FrontierEICapitanOakRidge National LaboratoryLawrenceLivermoreNational Laboratory2024.11~2022.6~2024.6
Sunway TaihuLight National Super Computer Center in Wuxi 2016.6~2017.11 Summit Oak Ridge National Laboratory 2018.6~2019.11 Supercomputer Fugaku RIKEN Center for Computational Science 2020.6~2021.11 Frontier Oak Ridge National Laboratory 2022.6~2024.6 El Capitan Lawrence Livermore National Laboratory 2024.11~
曾经的Top 1ListVendorSystemTotalCoresRmax(TFs)Power(kw)06/199310240.060CM-5/1024Thinking Machines Corp1400.1911/1993Numerical Wind TunnelFujitsu2.46/1997Intel9632ASCIRed7.311/2000IBM8192ASCI White,36320006/2002NEC5120Earth-SimulatorIBM478.211/2004Blue Gene/L2129921105IBM129600248311/2008Roadrunner175911/2009Jaguar2241626950Cray Ine.NUDT2566404011/2010Tianhe-1A18636811/2011KcomputerFujitsu705024105101266016325SequoiaIBM789006/20121572864Titan17590820911/2012CrayIne560640NUDT1780806/2013Tianhe-2312000033863Sunway9310506/2016NRCPC1537110649600SummitIBM12230006/201822825448805.5FugakuFujitsu729907244201006/20202833506/2022FrontierHPE9066176227861353000HPE11/2024EICapitan11039616174200029581
曾 经 的 Top 1 List System Vendor Total Cores Rmax(TFs) Power (kW) 06/1993 CM-5/1024 Thinking Machines Corp. 1024 0.060 11/1993 Numerical Wind Tunnel Fujitsu 140 0.19 6/1997 ASCI Red Intel 9632 2.4 11/2000 ASCI White, IBM 8192 7.3 06/2002 Earth-Simulator NEC 5120 36 3200 11/2004 Blue Gene/L IBM 212992 478.2 11/2008 Roadrunner IBM 129600 1105 2483 11/2009 Jaguar Cray Inc. 224162 1759 6950 11/2010 Tianhe-1A NUDT 186368 2566 4040 11/2011 K computer Fujitsu 705024 10510 12660 06/2012 Sequoia IBM 1572864 16325 7890 11/2012 Titan Cray Inc 560640 17590 8209 06/2013 Tianhe-2 NUDT 3120000 33863 17808 06/2016 Sunway NRCPC 10649600 93105 15371 06/2018 Summit IBM 2282544 122300 8805.5 06/2020 Fugaku Fujitsu 7299072 442010 28335 06/2022 Frontier HPE 9066176 1353000 22786 11/2024 El Capitan HPE 11039616 1742000 29581
110PerformanceDevelopment101080080000%0(O-No.500%No.1-O-Sum10210110°10-11995200020152025200520102020
Performance Development 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 10-1 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 Performance(GFlop/s) No.500 No.1 Sum
5.0.2软件背景软件的发展一使用户勿需具备高深的理论知识，只要有一般的计算机应用能力，就可以很容易地完成许多计算化学的简单工作。大量的化学和生命科学工作者进入该领域，希望应用现代的计算化学技术来辅助、指导他们的研究工作。预测尚未合成的化合物的性质（制药、材料）全面地了解分子的性质（生命科学领域）·理论化学家一主要致力计算化学方法的研究，需要对某个范围内的理论问题具有精深的理解，同时还需要有相当的数学和计算机编程能力。·应用研究一应用已成熟的理论、方法和编写好的软件进行具体体系的研究
• 软件的发展→使用户勿需具备高深的理论知识，只要有一般的计算机应用 能力，就可以很容易地完成许多计算化学的简单工作。 • 大量的化学和生命科学工作者进入该领域，希望应用现代的计算化学技术 来辅助、指导他们的研究工作。 预测尚未合成的化合物的性质(制药、材料) 全面地了解分子的性质(生命科学领域) • 理论化学家—主要致力计算化学方法的研究，需要对某个范围内的理论问 题具有精深的理解，同时还需要有相当的数学和计算机编程能力。 • 应用研究—应用已成熟的理论、方法和编写好的软件进行具体体系的研究。 5.0.2 软件背景
1998年诺贝尔化学奖科恩(1923-,WalterKohn）因发展密度泛函理论DFT方法是当今最为常用的量子化学方法之一。它比基于波函数的一些现代方法更简单，所以可用于大分子计算。自前，可以用来处理几百个原子的体系。DFT已引起量子化学的第二次革命，没有Kohn的先驱性工作这是决不可能的WalterKohnUniversityorCaliforniat SaniaBarbara.USA波普尔(1925-2004,JohnAnthonyPople)因发展量子化学的计算方法30年前，量子化学的努力被许多化学家嘲笑为无用的事情，影响很小。当今已完全不同了，毫无疑问，人们已认识到了量子化学的用处和巨大威力。这种突破是最近一二十年化学中最主要的发展之一。在这些做出突破贡献的众多科学家中，Pople是最重要和取决定性作用的代表。Pople已成为大师级创造者，他使化学家采用量子化学方法连同他们的实验仪器作为日常工具成为可能JohnAPopleNorthwestern University.Evanstonilinois,USA
科恩(1923-,WalterKohn) 因发展密度泛函理论 波普尔(1925-2004,John Anthony Pople) 因发展量子化学的计算方法 DFT方法是当今最为常用的量子化学方法之一。它比基于波函数的一 些现代方法更简单，所以可用于大分子计算。目前，可以用来处理几 百个原子的体系。DFT已引起量子化学的第二次革命，没有Kohn的先 驱性工作这是决不可能的 30年前，量子化学的努力被许多化学家嘲笑为无用的事情，影响很小。 当今已完全不同了，毫无疑问，人们已认识到了量子化学的用处和巨 大威力。这种突破是最近一二十年化学中最主要的发展之一。在这些 做出突破贡献的众多科学家中，Pople是最重要和取决定性作用的代 表。Pople已成为大师级创造者，他使化学家采用量子化学方法连同 他们的实验仪器作为日常工具成为可能 1998年诺贝尔化学奖
MartinKarplus(1930-)MichaelLevitt(1947-)Arieh Warshel (1940-)2013年Nobel化学奖quantum.physics"forthedevelopmentofmultiscalemodelsforcomplexchemicalsystems"classicalphysicsChemists usedtocreatemodelsof molecules usingplasticballs and sticks.Todathemodelling iscarriedoutincomputers. In the 1970s, MartinKarplus, Michael Levitt and Arieh Warshel laid The foundation for the powerfuprograms tht are use to undestand and predict chemical prcesescComputermodelsmirroringreal lifehave2become crucial for most advances made in chemistrytoday
Martin Karplus(1930-) "for the development of multiscale models for complex chemical systems" Michael Levitt (1947-) Arieh Warshel (1940-) Chemists used to create models of molecules using plastic balls and sticks. Today, the modelling is carried out in computers. In the 1970s, Martin Karplus, Michael Levitt and Arieh Warshel laid the foundation for the powerful programs that are used to understand and predict chemical processes. Computer models mirroring real life have become crucial for most advances made in chemistry today. 2013年Nobel化学奖