KSSOLV-GPU:一款利用GPU高效求解Kohn-Sham方程的平面波基组密度泛函理论MATLAB程序包

摘要

KSSO LV(Kohn-Sham Solver)是一款用于求解平面波基组下Kohn-Sham方程(KS-DFT)的MATLAB(Matrix Laboratory)工具箱.在KS-DFT的基态计算中,通常自洽场迭代中Kohn-Sham哈密顿量的对角化是最昂贵的部分.为了使得个人计算机也能够执行数百个原子的中等大小KS-DFT计算,本文提出了一种CPUGPU的混合编程方案,通过调用MATLAB内置的并行计算工具箱来加速在KSSOLV中实现的迭代对角化算法.比较了KSSOLV-GPU在RTX3090、V100、A100三种GPU上的性能;结果表明,对于包含128个原子的块状硅体系,与串行的CPU计算相比,混合CPU-GPU的编程可以实现约10倍的加速.特别是其在最新的民用GPU显卡RTX3090上也具有优秀的表现,可以预想到在不远的将来,KSSOLV-GPU借助MATLAB强大的可视化能力与GPU的加速支持可以在一台配备了民用GPU显卡的个人电脑上实现常规的D FT计算分析与可视化,从而降低了材料模拟与计算领域的门槛.