邁高科技MatCloud+融合Quantum ESPRESSO: 云端開展第一原理計算，發(fā)表論文，無需版權(quán)

2022年1月14日，北京邁高材云科技有限公司召開了線上產(chǎn)品發(fā)布會，宣布MatCloud+材料云支持Quantum ESPRESSO第一性原理計算，并進(jìn)行了實操使用講解。從此，用戶也可使用免費開源，且功能強大的Quantum ESPRESSO，通過瀏覽器，開展第一性原理計算。這意味著，用戶可以通過云端開展第一性原理計算，發(fā)表論文，不用再擔(dān)心版權(quán)問題。經(jīng)測試表明，通過MatCloud+開展Quantum ESPRESSO第一性原理計算，減少人工干預(yù)次數(shù)可達(dá)90%，為廣大科研人員帶去了真正的福音。發(fā)布會搭配“云直播”實時在線互動，共有近千名用戶參加本次線上直播發(fā)布會，收到廣大用戶好評。

MatCloud+針對Quantum ESPRESSO進(jìn)行了二次開發(fā)，這也是國內(nèi)首個可實現(xiàn)Quantum ESPRESSO高通量計算與材料數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)的材料智能計算平臺，在繼承了Quantum ESPRESSO優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，更實現(xiàn)了Quantum ESPRESSO所不支持的高通量并發(fā)式計算、任務(wù)監(jiān)控、全程圖形化展示、數(shù)據(jù)實時入庫、數(shù)據(jù)自動化學(xué)習(xí)等功能，進(jìn)一步提升了Quantum ESPRESSO的使用效率。用戶開展第一性原理計算，不再局限于某商業(yè)化軟件。

Quantum ESPRESSO簡介

一直以來，國內(nèi)開展第一性原理計算，總是局限于某1-2個商業(yè)軟件。這些軟件，不僅購買使用許可價格昂貴，而且還需要下載、本地安裝，還需通過人工部署到高性能計算集群，在計算集群的Linux環(huán)境準(zhǔn)備好各種輸入文件，再編寫配套的作業(yè)提交腳本和后處理腳本，才能開展使用。

實際上，開源的Quantum ESPRESSO（QE）也是一款非常出色的第一性原理計算軟件，它是一款用于電子結(jié)構(gòu)、模擬、弛豫且開源免費的量化計算軟件，包含了很多主流第一性原理軟件所沒有的超導(dǎo)計算、電子能量損失譜、彈道輸運等功能。結(jié)合內(nèi)置的后處理軟件包可輕松獲取可視化的數(shù)據(jù)信息，開源免費的特性可以支持企業(yè)及各大科研院所實現(xiàn)低成本科研，而強大全面的計算功能可以為論文提供更可靠的數(shù)據(jù)論證。未來QE將致力于并行效率的提升、自洽或全局最小化算法的優(yōu)化、計算精度的提升等，為用戶提供一個高效、精準(zhǔn)、免費的第一原理計算程序（功能比較見圖1）。

圖1. Quantum ESPRESSO與主流第一性原理軟件的功能對比

正是由于無需版權(quán)、功能全面的特點，QE獲得了大量用戶的認(rèn)可，截止至今，采用QE發(fā)表論文的數(shù)量已經(jīng)超過2萬篇，穩(wěn)居第一性計算軟件的第二梯隊。自2009年Quantum ESPRESSO問世以來，其引用次數(shù)逐年增加，從眾多第一性原理軟件中脫穎而出（圖2）。從下圖我們可以看到，QE用戶是呈逐年增多的趨勢，在歐美等國家得到了廣泛的應(yīng)用。截至2021年，來自Google Scholar的第一性原理軟件用戶數(shù)據(jù)統(tǒng)計，QE使用用戶的增長率和其它常用第一性原理軟件的用戶使用增長率幾乎持平。

圖2. 幾個主要的第一性原理軟件使用人數(shù)增長率比較

Quantum ESPRESSO使用中的困擾

盡管QE是一款出色的開源第一性原理計算軟件，然而使用中，卻存在如下的困難，導(dǎo)致其在國內(nèi)的使用人數(shù)，沒有那么廣泛。

（1）QE參數(shù)設(shè)置層面，由于參數(shù)眾多，熟悉了解并挑選出合適的參數(shù)較為困難，格式要求多，容易由于人為失誤造成任務(wù)失敗，參數(shù)解釋晦澀難懂，網(wǎng)上教程少。

（2）輸入結(jié)構(gòu)層面，需要利用POSCAR文件格式生成結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，建模需要利用特殊軟件，通常需要版權(quán)。

（3）在贗勢上看，文件不同類型贗勢需要從網(wǎng)站采集，沒有整合成庫，不同贗勢推薦截斷能不一樣，需要從各個渠道尋找；

（4）在計算提交方面，計算集群配置，安裝編譯QE需要各種依賴庫，自行編寫提交腳本，需要編程基礎(chǔ)，無實時任務(wù)監(jiān)控及任務(wù)銜接，浪費時間。

（5）最后在后處理上，需要學(xué)習(xí)編程及熟悉后處理代碼，數(shù)據(jù)難復(fù)用，易丟失。

MatCloud+帶給QE的創(chuàng)新和價值提升

MatCloud+針對國內(nèi)用戶使用QE存在不便捷的地方，對QE第一性原理計算進(jìn)行了如下改進(jìn)和價值提升。融合QE的各種優(yōu)勢，MatCloud+針對QE進(jìn)行了二次開發(fā)，這也是國內(nèi)首個可實現(xiàn)Quantum ESPRESSO高通量計算的材料智能設(shè)計平臺，在繼承了QE優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，更實現(xiàn)了QE所不支持的高通量并行計算、任務(wù)監(jiān)控、全程圖形化展示、數(shù)據(jù)實時入庫等功能，進(jìn)一步提升了QE的使用效率。

MatCloud+讓QE第一原理計算圖形化、流程化

MatCloud+基于QE量子力學(xué)引擎，進(jìn)行了二次開發(fā)，并重新定義了第一性原理計算的操作，將模型搭建、高通量建模、各處理間數(shù)據(jù)流動（如幾何優(yōu)化、靜態(tài)計算）、參數(shù)設(shè)置、贗勢處理、計算數(shù)據(jù)后處理、計算數(shù)據(jù)持久化等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，圖形化、組件化，通過靈活的“托拽”方式實現(xiàn)自組裝的各個功能集中整合（圖3）。同時實現(xiàn)了QE高通量材料計算“建模-計算-數(shù)據(jù)- AI”的“云端”一體自動化流程，直接連接千核/萬核集群，解決了材料計算參數(shù)設(shè)置復(fù)雜、贗勢處理繁瑣、數(shù)據(jù)后處理易出錯、計算數(shù)據(jù)易丟失等問題。

圖3. MatCloud+QE用來高通量計算電子態(tài)密度、能帶結(jié)構(gòu)的工作流

MatCloud+讓QE參數(shù)設(shè)置更靈活

QE擁有十幾個功能模塊，而僅PWscf一個包就含有200多個參數(shù)，對于初學(xué)者來說仍然晦澀難懂，而MatCloud+根據(jù)功能的不同，從QE的各個模塊中將獨立的功能抽取出來，形成了一個一個組件，為每個組件預(yù)設(shè)了關(guān)鍵參數(shù)，僅通過點選方式即可設(shè)置參數(shù)，操作靈活簡便。另外，MatCloud+為每個參數(shù)都提供了觸手可及中文使用幫助，極大減少了用戶調(diào)研參數(shù)使用的時間。

針對贗勢及其內(nèi)部參數(shù)獲取繁瑣的問題，MatCloud+將全種類贗勢整合了到了每個組件中，僅需點選想要選擇的贗勢種類，就可實現(xiàn)為每個元素自動分配此類型的贗勢，并結(jié)合元素和贗勢種類自動給出推薦的截斷能（見圖4）。

圖4. MatCloud+QE贗勢自定義選擇界面

MatCloud+讓QE結(jié)構(gòu)模型統(tǒng)一

QE輸入文件中結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的獲取需要涉及到模型的搭建、結(jié)構(gòu)文件轉(zhuǎn)換和文件拆分三個步驟，模型的搭建和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換通常需要借助其它軟件來實現(xiàn)，MatCloud+采用了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)導(dǎo)入組件，用戶不需要考慮文件格式，支持批量結(jié)構(gòu)導(dǎo)入，支持導(dǎo)入多種晶體結(jié)構(gòu)文件作為QE的輸入結(jié)構(gòu)。平臺內(nèi)置的建模組件實現(xiàn)了大部分結(jié)構(gòu)改性的功能，而MatCloud+即將推出的3D建模可以讓用戶完全擺脫第三方建模軟件的使用，僅通過瀏覽器就可實現(xiàn)模型搭建。

MatCloud+讓QE計算作業(yè)提交便捷

在QE本身提交計算的過程中，用戶不僅需要購買計算集群，還需要編譯安裝QE、準(zhǔn)備提交腳本等等，這就需要用戶具備一定的Linux語言基礎(chǔ)。MatCloud+直接對接國家超算中心，用戶不需要考慮集群和軟件配置環(huán)境的問題，搭建好工作流程，選擇超算，點擊提交按鈕就可完成計算的提交（見前面圖3）。

另外，MatCloud+利用自研的拖拽式流程實現(xiàn)了批量任務(wù)的提交，一次性可以高通量計算多個結(jié)構(gòu)的多個性質(zhì)，整個工作流程無需人為操作任何文件，計算任務(wù)完美銜接，不僅最大化利用了碎片化時間，也杜絕了由于誤操作導(dǎo)致的各種問題。

MatCloud+讓QE后處理高效

當(dāng)計算任務(wù)正常結(jié)束之后，傳統(tǒng)情況下，用戶需要利用后處理軟件或腳本自行處理數(shù)據(jù)，處理得到的結(jié)果大多保存在本地電腦或者各大云盤中，數(shù)據(jù)相互之間無關(guān)聯(lián)，后期想要復(fù)用數(shù)據(jù)難度極大。而MatCloud+不僅可以自動提取輸出文件中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，還可以將得到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)自動實時保存在云端數(shù)據(jù)庫，在保證了數(shù)據(jù)安全的基礎(chǔ)上，還可以利用數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次篩選和復(fù)用（圖5）。

圖5. MatCloud+QE能帶計算后處理

MatCloud+自動形成QE數(shù)據(jù)庫

QE計算結(jié)束后，MatCloud+不僅會自動形成QE第一性原理計算數(shù)據(jù)庫，更可結(jié)合MatCloud+內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫檢索功能和機器學(xué)習(xí)，利用模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)背后規(guī)律的挖掘（圖６）。

圖6. MatCloud+在第一性原理計算結(jié)束后，自動形成數(shù)據(jù)庫

MatCloud+—Quantum ESPRESSO的主要特點

綜上所述，我們可以發(fā)現(xiàn)MatCloud+對QE的各個方面都進(jìn)行了極大地改進(jìn)，不僅簡化了前處理、計算提交、后處理的過程，還實現(xiàn)了QE本身不包含的高通量計算、作業(yè)監(jiān)控、數(shù)據(jù)入庫等功能，使QE的上手難度大幅度下降。用戶開展第一性原理計算，不再局限于某商業(yè)化軟件。

此次新品QE結(jié)合MatCloud+的優(yōu)勢，將使用戶操作更簡單更便捷，具備以下特點：

1．操作簡單，“1”分鐘上手：

只需網(wǎng)頁瀏覽器，無需下載任何軟件，無需懂Linux,無需擔(dān)心超算資源

僅通過簡單的拖拽和點選，即可創(chuàng)建具有特定功能的工作流程；

MatCloud+智能地為每個參數(shù)設(shè)置了常用的默認(rèn)參數(shù)；

每個參數(shù)都提供了參數(shù)說明和設(shè)置提示；

智能生成圖表化的后處理結(jié)果，均支持下載；

2.徹底免除版權(quán)的困擾，無需花錢購買軟件許可：

商業(yè)化第一性原理計算軟件，發(fā)文章需要作者具備版權(quán)，且價格較為昂貴；而QE則不需要考慮版權(quán)問題，若用戶擁有私人服務(wù)器或計算集群，更可以實現(xiàn)“無成本”科研。

3．可以媲美甚至超出商業(yè)化軟件的功能，進(jìn)行科研或教學(xué)：

QE不僅擁有第一性原理計算幾乎所有的功能，而且包含了一些商業(yè)化軟件所不具備的直接計算超導(dǎo)計算，電子順磁共振波譜，紅外光譜，拉曼光譜等功能

我們相信，隨著邁高科技MatCloud+正式支持Quantum ESPRESSO，一定會有更多的用戶通過MatCloud+使用Quantum ESPRESSO開展第一性原理計算。MatCloud+為廣大用戶，使用開源免費的Quantum ESPRESSO、構(gòu)建第一性原理計算數(shù)據(jù)庫、機器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)挖掘等打開了一扇大門。用戶開展第一性原理計算，不再局限于商業(yè)化軟件。

轉(zhuǎn)自：搜狐網(wǎng)

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