CP2K

维基百科，自由的百科全书
跳转到导航 跳转到搜索
CP2K
CP2K 标志
开发者CP2K 开发团队
首次发布2000年
当前版本
    Module:EditAtWikidata第29行Lua错误：attempt to index field 'wikibase' (a nil value)
    源代码库
    • {{URL|example.com|可选的显示文本}}
    Module:EditAtWikidata第29行Lua错误：attempt to index field 'wikibase' (a nil value)
    编程语言Fortran[1]
    引擎
      Module:EditAtWikidata第29行Lua错误：attempt to index field 'wikibase' (a nil value)
      操作系统Linux、macOS、Windows
      类型从头计算法量子化学方法（英语：Ab initio quantum chemistry methods）、分子动力学、密度泛函理论、卡尔-帕里内洛分子动力学（英语：Car–Parrinello molecular dynamics）、计算化学
      许可协议GNU通用公众授权条款

      CP2K是一个以GPL授权、可自由取得的量子化学和固态物理程式套件，使用Fortran 2008编写，用于对固态、液态、分子、周期性、材料、晶体和生物系统进行原子级模拟。它为不同的计算方法提供了一个通用框架：使用混合高斯和平面波方法 (GPW) 的密度泛函理论 (DFT)，可透过局部密度近似 (LDA)（英语：Local-density approximation）、广义梯度近似 (GGA)、MP2 或RPA 等理论层级；经典对势和多体势；半 empirical 方法 (AM1（英语：Austin Model 1）、PM3（英语：PM3 (chemistry)）、MNDO（英语：MNDO）、MNDOd、PM6) 和紧束缚哈密顿量；以及依赖静电潜能高斯展开 (GEEP) 的量子力学/分子力学 (QM/MM) 混合方案。高斯与扩增平面波方法 (GAPW) 作为 GPW 方法的扩展，允许进行全电子计算。CP2K 可以进行分子动力学、元动力学 (metadynamics)、蒙地卡罗、艾伦费斯特动力学 (Ehrenfest dynamics)、振动分析、核心能阶光谱学、能量最小化以及使用微扰弹性带 (NEB) 或二聚体 (dimer) 方法的过渡态优化。

      CP2K为Vim和Emacs编辑器提供语法高亮插件，以及其他用于输入产生和输出处理的工具。[2]


      历史与重要里程碑[编辑]

      CP2K 专案始于 2000 年，由Jürg Hutter（苏黎世大学）和Michele Parrinello（当时在苏黎世联邦理工学院）领导的团队将两套独立程式码合并：Parrinello 团队针对从头算分子动力学的程式与Hutter 团队处理周期性DFT计算的程式。其核心包括Quickstep（GPW∕GAPW 电子结构计算）与FIST（经典分子力学及 QM/MM）。

      重要里程碑：

      • 早期发展与 GPW 方法：奠定高效 高斯平面波 (GPW) 基础。
      • 线性标度算法：使成本随系统大小呈线性扩展，支援大规模模拟。
      • QM/MM 方法：推出高效耦合方案，可模拟大型生物或溶液反应。
      • 扩充理论方法：整合 MP2、RPA、半经验与紧束缚等高阶方法。
      • GPU 加速：对部分关键模组加入 NVIDIA CUDA 与 AMD HIP 支援。
      • 社群开发：活跃的国际开源社群与 CP2K 基金会持续推动功能增强。

      主要特性与功能[编辑]

      核心算法与方法
      • 密度泛函理论 (DFT)
        • 高斯平面波 (GPW)
        • 高斯扩增平面波 (GAPW)
        • 轨道转换 (OT) 优化
      • 波函数理论方法
        • MP2
        • RPA
        • GW 近似（部分实现）
      • 半经验与紧束缚方法
      • 经典力场：支援多种常用力场
      支援的计算类型
      • 分子动力学（BOMD、卡尔-帕里内洛分子动力学（英语：Car–Parrinello）、艾伦费斯特、路径积分等）
      • 元动力学与其他增强取样
      • 蒙地卡罗模拟
      • 几何优化、过渡态搜寻（NEB、Dimer）
      • 振动分析、光谱性质（NMR、XAS）
      • 电子密度、能带结构等
      多尺度模拟
      • 高效 QM/MM（GEEP 静电耦合、机械嵌入）
      效能与平行计算
      • 线性标度算法
      • 混合 MPI+OpenMP 平行化
      • GPU 加速（CUDA、HIP）
      • 整合 ScaLAPACK、ELPA、LibXC 等高效数学库

      应用领域[编辑]

      • 材料科学：催化、表面科学、奈米材料、电池材料、固态物理
      • 化学：反应机理、光谱学、溶液化学、分子团簇
      • 生物物理与生物化学：大分子模拟、酶催化、药物设计
      • 物理学：凝聚态物理、高压物理
      • 地球科学：矿物物理、地球化学过程


      参见[编辑]

      主要论文[编辑]

      • 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 可免费查阅. doi:10.1063/5.0007045 可免费查阅. 
      • 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 可免费查阅 请检查|arxiv=值 (帮助). 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 可免费查阅 请检查|arxiv=值 (帮助). 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. 

      外部链接[编辑]

      参考资料[编辑]

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