胡維平 國立中正大學化學暨生物化學系 Sept. 19, 2017

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1 胡維平 國立中正大學化學暨生物化學系 Sept. 19, 2017
計算機發展史與計算化學程式簡介 胡維平 國立中正大學化學暨生物化學系 Sept. 19, 2017

2 An Early Computer ENIAC, 1947 US Army 27 ton 63 m2 5 kHz ~400 FLOP
150 kW

3 Computers in Early Space Programs
IBM 7090 1960 Transistor Based ~100 K FLOPs 50000 transistors

4 Cray-2 Computer 1985 Cray-2 250 MHz 1.9 GFLOP 256 MW 1.5 m X 2.0 m

5 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 1997 Pentium 100 MHz 64 MB 20 GB

6 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 2015 i K 3.6 GHz 64 GB 3 TB 2017 i X 4.3 GHz 128 GB 6 TB

7 14 nm 22 nm 32 nm 45 nm 250 nm (Pentium) "Moore's law" is the observation that the number of transistors in a dense integrated circuit has doubled approximately every two years.

8 Sunway TaihuLight -神威·太湖之光 93 Peta 10,649,600 cores
FLOPS (double precision) Intel 8088/8087: 1 M Cray 2: 2G G = 109; T = 1012; P = 1015 From TOP500 (June 2017): Sunway TaihuLight -神威·太湖之光 93 Peta 10,649,600 cores NUDT Tianhe-2: P (2nd) Cray XC50: 20 P (3rd) ALPS (NCHC 御風者): cores, 177 TFlop (> 500th) (was 445 th at 2015) (was 370th at 2014) (was 42nd at 2011)

9 國家高速網路與計算中心 NCHC 御風者 ALPS — Acer AR585 F1 Cluster US$ 10,000,000
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

10 中國國家超級計算廣州中心 Tianhe-2 US$ 100,000,000
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

11 中國國家超級計算無錫中心 US$ 100,000,000 Sunway TaihuLight
10,649,600 cores 33.9 Pflops $232 millions Processors : Sunway SW C 1.45GHz 260-core, 64-bit RISC chip that exceeds 3 teraflops Main Memory 1,310,720 GB

12 System Architecture Est. Rmax：> 1700 TF
Intel Omni-Path (100Gb/s) for both Comm/IO System Architecture NCHC 新 Peta 級主機 Internet Storage Island CPU Island GPU Utility Island BigMem 2.2PB 250TB 1PB 6TB NCHC TC Gateway Thin node 192GB 502 nodes Fat node 384GB 128 nodes Shared Ethernet LAN for control and mgmt 10G Eth 40Gb/s EF: CPU:0.8 GPU:0.7 1 nodes 80 cores 6 TB Mem. 3TF 630 nodes 25,200 cores 1051 TF 20 nodes 64 nodes 256 GPUs 684TF Top500 June 2017 排名 66 Est. Rmax：> 1700 TF 開放服務 NCHC tiered storage

13 Programs for Molecular Modeling
Gaussian Molpro Gamess Spartan (Q-Chem) ADF CASTEP VASP

14 計算化學/分子模擬 模擬什麼？ Structure  Properties  Chemistry 化學式  結構式  三度空間結構
C6H6O   　 結構  熱力學性質 電荷分布 光譜性質 分子間作用力及反應性

15 Methods for Molecular Modeling
Force Field Methods (Functional form + Parameter Sets  Properties) Amber, Charmm, MMFF, Sybyl, MM2 Density Functional Theory (Density  Properties) BLYP, B3LYP, B98, MPW1PW91, M06-2X, BMK, DSD-BLYP Ab Initio Theory (Latin, “from the beginning”) (Wavefunction  Properties) HF  MP2  QCISD(T), CCSD(T), BD(T) CIS  TD-DFT  EOM-CCSD, CCn CASSCF  CASPT2  MRCI  MRCI-PT2 Semiempirical (Wavefunction and parameter set  Properties) ZINDO, CNDO, INDO/S, MNDO, AM1, PM3, PM6

16 Spartan 軟體簡介 Wavefunction Inc. 1991 創立，提供化學研究學者及教師方便使用的分子模擬工具。
Spartan 16 結合了完整的分子模擬圖形介面以及功能強大的量子化學計算軟體 (Q-Chem)。 國家高速網路與計算中心 (NCHC) 已購置42個浮動使用授權，下載安裝後只要曾向NCHC登記過網址的研究單位都可隨時於個人電腦上使用，於校外亦可藉由VPN連線授權使用。 Spartan 16 for Window 安裝及使用請參閱：

17 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 ( ) 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 16, Rev. A03

18 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。

19 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。

20 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。

21 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 8 GB 以上 memory，i-Core 5 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 i7-7700K 或 7740X，7800X, 32/64 GB DDR4 RAM，SATA-3 HD 或 SSD Raid-0 陣列，價格5-7 萬元，P/C 與NCHC 主機類似。