CP2K

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CP2K
CP2K 標誌
開發者CP2K 開發團隊
首次發佈2000年
當前版本
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    原始碼庫
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    程式語言Fortran[1]
    引擎
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      作業系統Linux、macOS、Windows
      類型從頭計算法量子化學方法（英語：Ab initio quantum chemistry methods）、分子動力學、密度泛函理論、卡爾-帕里內洛分子動力學（英語：Car–Parrinello molecular dynamics）、計算化學
      許可協議GNU通用公眾授權條款

      CP2K是一個以GPL授權、可自由取得的量子化學和固態物理程式套件，使用Fortran 2008編寫，用於對固態、液態、分子、週期性、材料、晶體和生物系統進行原子級模擬。它為不同的計算方法提供了一個通用框架：使用混合高斯和平面波方法 (GPW) 的密度泛函理論 (DFT)，可透過局部密度近似 (LDA)（英語：Local-density approximation）、廣義梯度近似 (GGA)、MP2 或RPA 等理論層級；經典對勢和多體勢；半 empirical 方法 (AM1（英語：Austin Model 1）、PM3（英語：PM3 (chemistry)）、MNDO（英語：MNDO）、MNDOd、PM6) 和緊束縛哈密頓量；以及依賴靜電潛能高斯展開 (GEEP) 的量子力學/分子力學 (QM/MM) 混合方案。高斯與擴增平面波方法 (GAPW) 作為 GPW 方法的擴展，允許進行全電子計算。CP2K 可以進行分子動力學、元動力學 (metadynamics)、蒙地卡羅、艾倫費斯特動力學 (Ehrenfest dynamics)、振動分析、核心能階光譜學、能量最小化以及使用微擾彈性帶 (NEB) 或二聚體 (dimer) 方法的過渡態優化。

      CP2K為Vim和Emacs編輯器提供語法高亮外掛程式，以及其他用於輸入產生和輸出處理的工具。[2]


      歷史與重要里程碑[編輯]

      CP2K 專案始於 2000 年，由Jürg Hutter（蘇黎世大學）和Michele Parrinello（當時在蘇黎世聯邦理工學院）領導的團隊將兩套獨立程式碼合併：Parrinello 團隊針對從頭算分子動力學的程式與Hutter 團隊處理週期性DFT計算的程式。其核心包括Quickstep（GPW∕GAPW 電子結構計算）與FIST（經典分子力學及 QM/MM）。

      重要里程碑：

      • 早期發展與 GPW 方法：奠定高效 高斯平面波 (GPW) 基礎。
      • 線性標度演算法：使成本隨系統大小呈線性擴展，支援大規模模擬。
      • QM/MM 方法：推出高效耦合方案，可模擬大型生物或溶液反應。
      • 擴充理論方法：整合 MP2、RPA、半經驗與緊束縛等高階方法。
      • GPU 加速：對部分關鍵模組加入 NVIDIA CUDA 與 AMD HIP 支援。
      • 社群開發：活躍的國際開源社群與 CP2K 基金會持續推動功能增強。

      主要特性與功能[編輯]

      核心演算法與方法
      • 密度泛函理論 (DFT)
        • 高斯平面波 (GPW)
        • 高斯擴增平面波 (GAPW)
        • 軌道轉換 (OT) 優化
      • 波函數理論方法
        • MP2
        • RPA
        • GW 近似（部分實現）
      • 半經驗與緊束縛方法
      • 經典力場：支援多種常用力場
      支援的計算類型
      • 分子動力學（BOMD、卡爾-帕里內洛分子動力學（英語：Car–Parrinello）、艾倫費斯特、路徑積分等）
      • 元動力學與其他增強取樣
      • 蒙地卡羅模擬
      • 幾何優化、過渡態搜尋（NEB、Dimer）
      • 振動分析、光譜性質（NMR、XAS）
      • 電子密度、能帶結構等
      多尺度模擬
      • 高效 QM/MM（GEEP 靜電耦合、機械嵌入）
      效能與平行計算
      • 線性標度演算法
      • 混合 MPI+OpenMP 平行化
      • GPU 加速（CUDA、HIP）
      • 整合 ScaLAPACK、ELPA、LibXC 等高效數學庫

      應用領域[編輯]

      • 材料科學：催化、表面科學、奈米材料、電池材料、固態物理
      • 化學：反應機理、光譜學、溶液化學、分子團簇
      • 生物物理與生物化學：大分子模擬、酶催化、藥物設計
      • 物理學：凝聚態物理、高壓物理
      • 地球科學：礦物物理、地球化學過程


      參見[編輯]

      主要論文[編輯]

      • Kühne,   Thomas; Iannuzzi, Marcella; et al. CP2K：一個電子結構與分子動力學軟體套件 - Quickstep：高效且精確的電子結構計算. Journal of Chemical Physics. 2020, 152 (19): 194103. Bibcode:2020JChPh.152s4103K. PMID 33687235. arXiv:2003.03868 可免費查閱. doi:10.1063/5.0007045 可免費查閱. 
      • Lippert,   Gerald; Hutter, Jürg ; Parrinello, Michele. 一種混合高斯與平面波的密度泛函方案. Molecular Physics. 1997, 92 (3): 477–487. Bibcode:1997MolPh..92..477L. doi:10.1080/002689797170220. 
      •   Lippert,   Gerald;   Hutter,   Jürg;   Parrinello,   Michele.   用於從頭算分子動力學模擬的高斯與擴增平面波密度泛函方法.   Theoretical Chemistry Accounts: Theory, Computation, and Modeling.   1999,.   103 (  2):   124–140. S2CID 124305820. doi:10.1007/s002140050523. 
      •   Kühne,   Thomas D.;   Krack,   Matthias;   Mohamed,   Fawzi;   Parrinello,   Michele.   一種高效且精確的類卡爾-帕里內洛方法用於玻恩-奧本海默分子動力學.   Physical Review Letters.   2007,.   98 (  6):   066401. Bibcode:2007PhRvL..98f6401K. PMID 17358962. S2CID 8088072. cond-mat/0610552 arXiv:  cond-mat/0610552 可免費查閱 請檢查|arxiv=值 (幫助). doi:10.1103/PhysRevLett.98.066401. 
      • Krack, Matthias; Parrinello, Michele. 全電子從頭算分子動力學. Physical Chemistry Chemical Physics. 2000, 2 (10): 2105–2112. Bibcode:2000PCCP....2.2105K. S2CID 97061785. doi:10.1039/B001167N. 
      •   Kühne,   Thomas D.   第二代卡爾-帕里內洛分子動力學.   WIREs Computational Molecular Science.   2014,.   4 (  4):   391–406. S2CID 15360296. 1201.5945 arXiv:  1201.5945 可免費查閱 請檢查|arxiv=值 (幫助). doi:10.1002/wcms.1176. 
      •   Laino,   Teodoro;   Mohamed,   Fawzi;   Laio,   Alessandro;   Parrinello,   Michele.   一種高效的實空間多重網格 QM/MM 靜電耦合方法.   Journal of Chemical Theory and Computation.   2005,.   1 (  6):   1176–1184. PMID 26631661. doi:10.1021/ct050123f. 
      •   Laino,   Teodoro;   Mohamed,   Fawzi;   Laio,   Alessandro;   Parrinello,   Michele.   一種用於處理 QM/MM 模擬中週期性邊界條件的高效線性標度靜電耦合方法.   Journal of Chemical Theory and Computation.   2006,.   2 (  5):   1370–1378. PMID 26626844. doi:10.1021/ct6001169. 

      外部連結[編輯]

      參考資料[編輯]

      1. ^ CP2K 關於維基頁面. [2015-03-19]. 
      2. ^ CP2K 工具. [2015-03-19]. 
      取自 "https://arolstar52-zhtest.hf.space/index.php?title=CP2K&oldid=4653600"