VNL-ATK 2017新版发布

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QuantumWise已于7月1日正式发布了VNL-ATK 2017版,新版引入了多种新的计算方法和大量的性能优化。

 

更新概要

  • 大幅改进电声耦合计算性能
  • 新的“special thermal displacement”近似方法,高效描述声子辅助隧穿
  • 新增两种计算精确带隙的方法
  • 改进默认参数设置
  • 创新性的Wigner-Seitz方法加速大超胞的动态矩阵计算
  • 输出文件改为HDF5格式
  • 新增多种酷炫的2D、3D作图选项
  • 变晶胞NEB过渡态搜索(模拟相变)
  • 连接Materials Projects和COD数据库(或自建数据库)
  • 完整的投影能带和DOS

License信息

  • 已经获得2017之后版本授权的用户,直接下载安装即可使用;
  • 最后版本为2016与之前的版本的用户,欢迎联系我们(sales@fermitech.com.cn)付费升级事宜;
  • 欢迎各位新老用户联系我们(sales@fermitech.com.cn)获取最新版的试用许可。

本次更新详情

硅p-n结器件(掺杂2×1019cm-3)构成的短(a,c)、长(b,d)整流器。短器件中与对比了微扰理论方法(LOE),器件未完整包含全部屏蔽(见局域态密度图e)。两个器件在300K时LDOS都发生了很大的变化(图e、f中的下半幅),反向漏电流增加了六个数量级。

电声耦合计算

  • 显著降低内存消耗(稀疏矩阵存储)
  • 典型测试显示内存需求从800GB降为1.3GB
  • 计算迁移率的新方法:常数弛豫时间方法(与BoltzTraP代码类似)
  • 弛豫时间可以由实验确定,也可以从动态矩阵计算并在能量/k点取平均
  • 对于电极材料重复形成的器件(长的纳米线、纳米管、二维片层)体系,非弹性电流计算速度提高100000倍,因为仅计算电极的动态矩阵和哈密顿量导数
  • 将所有声子模式在能量范围内分组求和(近似),提速10-100倍
突破性进展

ATK2017引入了一种全新的特殊热位移(special thermal displacement;STD)近似,来考虑声子散射对IV曲线的影响。

STD-Landauer迁移率。(a) 直径为3nm的三种不同长度的硅纳米线的原始透射以及考虑了STD构型的透射;(b) 硅纳米线和块体的迁移率。STD给出的结果与Boltzmann输运方程(BTE)给出的结果以及实验数据、力场声子计算的对比。

STD-Landauer方法详见(PRB文章已发表),这种方法将全电子-声子耦合计算减少为中间区域的动态矩阵(LOE/XLOE计算所必须的)和每个偏压(温度)下的一个器件计算。基本思想是根据全部声子的正则系综平均生成单个的原子位移组合,即可包含所有的温度效应。

文章演示了这种方法是如何高效的研究声子对硅p-n结电流、硅块体和纳米线的迁移率的影响随温度变化的效应(图)。


总体性能改进

  • 费米面以上能带数现自动设置
  • 提速约2倍;过去版本可以手动设置,但多数用户都未注意到这个选项
  • 新的自能存储选项
  • NoStorage(大大减少大体系的内存占用,但是每次重新计算)
  • SaveInMemory(快速,但耗内存)
  • StoreOnDisk(快速,不消耗内存,但消耗硬盘空间)
  • 中间区域不同,但是电极相同时,重复使用自能计算结果
  • SparseGreenFunction改进
  • 使用可以减少大洁面体系的内存消耗
  • 尤其对于有限偏压时,每个能量(k)点使用多进程可以大大减少每个MPI进程的内存
  • No performance overhead anymore for the distributed Pulay mixer (now default)
  • 自动检测电极是否全同(即使略有位移)
  • 自能计算缓存改进
  • 格点数据运算改进

带隙计算新方法

  • DFT+1/2
    • 半经验的DFT方法,可以校正局域或半局域的交换关联泛函中的自相互作用

      Si1-xGex体系的带隙与合金组分的关系,PPS的计算结果与实验数据很好的吻合。

      来自文献 (Ferreira et al., 2008 and 2011) ,基于Slater半填充方法

    • 比MGGA和GGA+U更接近从头算,参数更具有可移植性,不再需要对每种材料单独拟合参数。测试表明,相同的参数可以覆盖一系列材料,例如相同氧化态的氧化物金属离子不需要额外参数,III-V族合金只需要一套通用参数。
    • 对于氧、硅、III-V与II-VI合金有预设参数
    • 不推荐用于力/张力优化
  • 赝势投影算符移动(Pseudopotential projector shifts;PPS)
    • QuantumWise发展的新方法,在赝势中引入可调参数以改进性质(带隙、晶格常数等)计算,类似于经验赝势方法(http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.51.17398),但仍基于DFT。参数是对参考体系(如块体硅)拟合的,但看上去适合其他合金或纳米线体系。
    • 提供了Si和Ge的参数作为预设赝势,成功用于描述Si1-xGe体系的带隙和晶格常数对组分x的依赖关系。
    • 经过校正可以用于声子计算

文件存储新格式:HDF5

从2017开始,默认文件存储格式变更为HDF5。用户一般不会察觉有什么变化,除了文件扩展名之外。但是技术上,HDF5格式提供多种新功能和性能改进。

  • 对HDF5文件中的数据块添加文字标记
  • 从HDF5中删除数据块
  • 更好的并行性能
  • 对于MD计算,使用HDF5文件可以显著提升性能

2017将兼容旧的nc文件格式,以读取数据(但限于数据计算方法的改变,不能确保在新版中进行作图)。


连接数据库

  • 从VNL直接访问Materials Project数据库
    • 搜索元素组合、晶体结构和其他参数
    • 列表查看关键性质,可视化结构
    • 向VNL导入晶体结构和其他结果,如能带,DOS等;在VNL中直接查看这些数据作图
  • 改进Grystallography Open Database(COD)界面功能
  • 自定义插件,创建界面连接到MySQL或MongoDB的数据库
  • 创建自己的ATK计算数据库

大超胞的Wigner-Seitz近似

大家都知道大超胞的声子计算的计算量大到几乎不可能完成,这是由于一般需要对晶胞进行三倍的扩胞,这就导致一个只有100个原子的体系计算变成了600个2700原子体系的计算。

ATK 2017 引入了一种基于Wigner-Seitz分割的全新的近似方法解决这个问题,这种方法可以确保原体系中的原子感受不到周期边界条件重复带来的同一个原子的力。
使用这种近似可以在不需要扩胞的情况下得到精确的声子能带和振动本征态。这种近似方法对于大超胞极限下是精确的,但对于3x3x3体系的声学声子,已经可以得到很好的精度。

方法精度见右图(63个Si原子缺陷体系的声子态密度和能带)。计算时间对比:

  • 参考体系(3x3x3超胞,1701个原子):9天
  • Wigner-Seitz方案:43分钟
  • 加速比:300倍

离子动力学

  • 变晶胞NEB过渡态搜索(模拟相变)
  • PLUMED meta-dynamics
  • MD计算性能提升
  • 支持VFF立场
    • 自动确定连键关系
  • ATK-Classical改名为ATK-ForceField

建模工具更新

  • Wulff cluster建模工具改进
  • Builder和Viewer里的交互式结构测量标记工具(支持NEB等动态标记)
  • 原子坐标列表支持拖拽排序(或置顶置底工具)
  • “Send to”改进,支持百万原子操作

分析计算功能更新

  • Born有效电荷分析
  • 支持电场情况下的结构优化和NEB计算
  • 自由能分析
    • TotalEenergy现报告自由能并外推至0K
    • 从PhononDensityOfStates计算零点能和晶格自由能(准谐近似下分子或块体的振动自由能)
  • 计算并可视化费米面
  • 将能带和态密度投影到原子、壳层、轨道和自旋
  • 计算光电流
  • 自旋分布作图脚本工具

默认参数更新,改善易用性

  • 默认基组改为SG15 Medium
  • 元素、赝势有关的mesh cut-off
  • 默认泛函改为GGA-PBE
  • 默认电子温度改为1000K(提高收敛性,可降低以改善精度)
  • 对于器件,默认初始电子密度改为NeutralAtoms
    • 多数体系计算速度提高很多(尤其是并行计算时),计算所需内存大大减少
    • 对于某些体系计算收敛性可能变差(可尝试EquivalentBulk)
  • 适当调整了弹性常数计算和结构弛豫的步长

由于默认参数的调整,相同的脚本在新版本和老版本上运行时给出的结果可能略有差异,建议在新VNL 2017里重新设置计算脚本。


计算作业管理更新

  • 新增支持LSF和SLURM
  • 诊断工具改进
  • 修改服务器设置不再需要删去所有任务
  • 不再需要保存文件
  • 密码和密钥
    • 内置SSH密钥工具
    • 支持直接保存密码(不设置无密码通信)
  • 显示作业 ID,查看作业更容易
  • 作业ID更短,以避免服务器对作业ID字符数限制
  • 预览PBS脚本
  • 增加自定义PBS脚本行功能
  • 自动在PATH里查找PBS命令(PBS命令路径可以留空)

3D作图更新

  • 按原子性质(例如:速度)对原子进行着色
    • 支持动画工具
  • 单胞重复显示改进
    • 同时重复格子和原子
    • 器件在z方向重复
  • 等值面图
    • 与单胞重复同步
    • 选定的isovalue值显示在色条上
    • Solid color选项
  • 更方便的多视窗管理
  • 更方便控制色条位置
    • Viewer里提供视窗列表一览
  • 透视投影模式支持shader
  • 电流密度支持矢量场作图

2D作图更新

  • 新的作图程序框架,方便保存并自定义作图
  • 将2D作图保存为Python脚本,可以修改或批处理
  • 将能带和DOS等合并作图
  • 增加箭头和标签文字等

ATK-PlaneWave

ATK 2017开始增加了平面波程序,后续将持续开发并改善计算功能。ATK-PlaneWave将成为DFT计算代码的新标准,无论初学者还是专家都将无障碍的使用图形界面-计算代码集成的一体化平台完成结构建模、设置计算脚本、数据后处理、数据库检索等全部功能。


平台支持

  • ATK现使用Intel MPI编译
    • 自动确定MKL的线程数,优化混合并行;不再需要设置OMP_NUM_THREADS等环境变量
    • 支持Infiniband
    • 在Windows和Linux上直接提供Intel mpiexec.hydra
    • 兼容MPICH2/3和MVAPICH2
  • LM-X license server更新
  • 安装过程更快
  • 不再支持老的32位系统
  • 不再支持Mac OS X

更多更新

  • 更新FHI-aims版本
  • Quantum Espresso插件更新(根据QE新版输出文件修复)
  • Surface Configuration更稳定(https://arxiv.org/abs/1707.02141)
  • log文件更新,减少重复信息,增加有用信息
  • Boykin’s environmental tight-binding model(Si和GaAs的应变体系)
  • 收敛信息保存在数据对象里以备后查
    • VNL里可见
  • 新的占据函数:Methfessel-Paxton,Gaussian,ColdSmearing
  • 结构优化算法改进(使用rigid body限制时)
  • 新增Anderson mixer改进收敛
  • AKMC脚本支持
  • CrystalStructurePrediction改进
  • 新Poisson求解方法:并行的共轭梯度法替换MultiGrid和Direct方法(栅极体系)
    • 与multigrid方法相比,可以速度提升2-9倍,减少3-5倍内存