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SIESTA(Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms):

高效的电子结构计算及分子动力学模拟软件

SIESTA(Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms) 是一种仿真方法及计算模拟程序,执行高效的电子结构计算和从根本开始的分子及固体的分子动力学模拟。SIESTA的效率来自于严格本地化的基础集合(basis sets)的使用和可应用于适当系统的线性缩放算法的实现。该代码的一个非常重要的特点是,它的精度和成本可以在广泛的范围内进行调整,从快速的探索性计算到与其他方法(如平面波和全电子方法)的质量相匹配的高精度模拟。


  • SIESTA是作为合作项目产生的;
  • SIESTA自实施以来一直在不断发展,SIESTA已变得非常流行,越来越多的研究人员在地质科学、生物学和工程学(除了在自然态的材料物理和化学)中使用SIESTA。


自2016年5月13日起,随着4.0版本的发布,SIESTA根据GPL开源许可证的条款发布。

特点

SIESTA的主要特点是:


  • 它在局部密度(lDA-LSD)和广义梯度(GGA)近似以及包括范德华相互作用(VDW-DF)的非局部函数中使用标准的Kohn-Sham自洽密度泛函方法。
  • 它以完全非局部形式使用范数守恒伪势(Kleinman-Bylander)。
  • 它使用原子轨道作为基础设置,允许无限多个zeta和角动量,偏振和场外轨道。每个轨道的径向形状都是数字的,任何形状都可以由用户使用和提供,唯一的条件是它必须有有限的支撑,即它必须严格为零,超出用户提供的与相应原子核的距离。有限支持基础集(basis sets)是计算O(N)操作中哈密顿矩阵和重叠矩阵的关键。
  • 将电子波函数和密度投影到真实的空间网格上,以计算Hartree和交换相关势及其基体元素。
  • 除了标准的瑞利-里兹(Rayleigh-Ritz)本征态方法外,它还允许使用所占轨道的局部线性组合(bond or Wannier-like函数),使计算机时间和内存与原子数成线性关系。有几百个原子的模拟在合适的工作站上是可行的。
  • 它是用Fortran 95编写的,内存是动态分配的。
  • 它可以编译为串行或并行执行(在MPI下)。


SIESTA能计算什么?

自实施以来,SIESTA已应用于各种系统,包括表面、吸附质、纳米管、纳米团簇、生物分子、非晶半导体、铁电薄膜、低维金属等。


SIESTA通常提供:
  • 总能量和部分能量。
  • 原子力。
  • 应力张量
  • 电偶极矩。
  • 原子、轨道和键群(Mulliken)。
  • 电子密度。

而且(尽管并非所有选项都兼容):

  • 几何松弛,固定或可变单元。
  • 恒温分子动力学(Nose thermostat)。
  • 可变细胞动力学(Parrinello Rahman)。
  • 自旋极化计算(共线与否)。
  • K——Brillouin 区采样。
  • 状态的局部和轨道投影密度。
  • 化学键合分析的COOP和COHP曲线。
  • 电介质极化。
  • 振动(phonons)。
  • 能带结构。


非平衡状态下的弹道电子输运(通过TranSIESTA)一些 SIESTA后处理工具已经开发出来了。这些程序可以帮助处理SIESTA输出,或者补充程序的功能。


优点
SIESTA的主要优点是:
  • 柔性代码 准确度高
  • 它可以解决计算需求系统(目前无法触及平面波的系统)
  • 高效率并行化
  • 专业用途支持
  • 利用数字原子轨道的线性组合,使SIESTA成为一种灵活有效的DFT代码。SIESTA能够用小的基集进行非常快速的计算,从而允许计算系统有上千个原子。同时,使用更完整和准确的基础,可以达到与标准平面波计算相当的精度,节约计算成本。
图:SIESTA灵活性示意图
SIESTA可以解决计算需求系统,高效并行化。
  • 矩阵元素(Matrix Element):H和S矩阵元素的计算通常采用O (N)方法。
  • 解决方案:
  1. 标准对角化。按尺寸进行三次缩放。O(N)三次尺度极小化(OMM)。O ( N 3 ) (F. Corsetti. Comput. Phys. Commun. 185 , 873 (2014)) 
  2. SIESTA-PEXSI。实际计算成本取决于系统的维数。1D: O (N) / 2D: O (N 1.5) / 3D: O (N 2)(金属和绝缘体)
  3. 线性放缩。它只适用于状态明确分离的系统。O (N)(绝缘体) 

SIESTA可以在轨道上或K点上平行。K点对角化接近于完全平行,但是,当K点的数量远远大于磁芯的数量时,应选择K点对角化。
强标度
强标度(Strong Scaling)是指在一定核数范围内模拟固定大小所获得的壁时间加速。对一个由水分子组成的系统的研究表明SIESTA的平行化效率,这与市场上的其他代码相当。

我需要多少计算能力?


这基本上取决于你想考虑的系统。对由水分子组成的系统进行了SIESTA编码并行化的性能分析。在这项研究中,SIESTA代码运行在六台不同架构的高性能计算机上。


虽然代码的性能取决于代码运行的平台、模拟中考虑的系统以及计算的准确性,但可以估计具有不同电子数的系统所需的最佳内核数。

开源代码与专业支持和保证

2015年,Simune与SIESTA建立了战略合作伙伴关系。Simune提供SIESTA守则的培训、支持和进一步开发,以促进材料设计挑战。欲了解更多信息,请访问www.simune.eu。


Simune已收到开发该项目的资金:SIESTA- PRO– Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms:  具有专业支持和质保的开源代码。

SIESTA实施的解决方案能克服密度泛函理论的局限性

SIESTA是密度泛函理论(DFT)方法,因此它有与DFT相关的局限性。从最基本的原则中清楚地认识到这些局限性,就可以开发定制的解决方案和近似值。SIESTA自1996年实施以来一直在不断发展。


当前版本(SIESTA4)中实施的主要解决方案有:
  • 非共线计算磁系统;
  • TranSIESTA模块传输计算;
  • 范德华函数弱VDW相互作用。

下一个版本的SIESTA包括以下功能:
  • 强局域电子的现场库仑修正(DFT+U)描述;
  • 自旋轨道耦合(SOC)拓扑绝缘体时变密度泛函理论(TDDFT)激发能、频率相关响应特性、光吸收光谱等;
  • 密度泛函微扰理论(DFPT)极性、拉曼强度、带隙光发射等。
三大法师打发斯蒂芬
谁是SIESTA的用户?
广泛使用的DFT在确定许多材料的结构特性方面表现相当好,并成功地应用于整个工程和科学的模拟中。如前所述,DFT代码的准确性和成本可以在广泛的范围内调整,从快速的探索性计算到高度精确的模拟。处理大型系统的可能性在许多学科中开辟了新的机遇。SIESTA已经变得相当流行,越来越多地被地球科学、生物学和工程学的研究人员使用(除了自然态的材料物理和化学之外),目前全世界有几千个用户。
延伸阅读:
>>    SIESTA Pro:第一性原理计算软件