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【2h】

Multigrid Methods in Electronic Structure Calculations

机译:电子结构计算中的多重网格方法

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摘要

We describe a set of techniques for performing large scale ab initiocalculations using multigrid accelerations and a real-space grid as a basis.The multigrid methods provide effective convergence acceleration andpreconditioning on all length scales, thereby permitting efficient calculationsfor ill-conditioned systems with long length scales or high energy cut-offs. Wediscuss specific implementations of multigrid and real-space algorithms forelectronic structure calculations, including an efficient multigrid-acceleratedsolver for Kohn-Sham equations, compact yet accurate discretization schemes forthe Kohn-Sham and Poisson equations, optimized pseudo\-potentials forreal-space calculations, efficacious computation of ionic forces, and acomplex-wavefunction implementation for arbitrary sampling of the Brilliounzone. A particular strength of a real-space multigrid approach is its readyadaptability to massively parallel computer architectures, and we present animplementation for the Cray-T3D with essentially linear scaling of theexecution time with the number of processors. The method has been applied to avariety of periodic and non-periodic systems, including disordered Si, a Nimpurity in diamond, AlN in the wurtzite structure, and bulk Al. The highaccuracy of the atomic forces allows for large step molecular dynamics; e.g.,in a 1 ps simulation of Si at 1100 K with an ionic step of 80 a.u., the totalenergy was conserved within 27 microeV per atom.
机译:我们描述了一套使用多网格加速度和真实空间网格作为基础进行大规模从头算的技术。多网格方法可在所有长度尺度上提供有效的收敛加速度和预处理,从而可以对长尺度的病态系统进行有效的计算或高能量截止。我们讨论了用于电子结构计算的多网格和实空间算法的具体实现,包括用于Kohn-Sham方程的高效多网格加速解算器,用于Kohn-Sham和Poisson方程的紧凑而精确的离散化方案,用于实空间计算的优化伪\势,有效离子力的计算,以及用于布里渊unzone的任意采样的复波函数实现。现实空间多网格方法的一个特别优势是它对大规模并行计算机体系结构的随时可适应性,并且我们提出了Cray-T3D的一种实现,其中执行时间与处理器数量基本成线性比例关系。该方法已应用于各种周期性和非周期性系统,包括无序Si,金刚石中的Nimpurity,纤锌矿结构中的AlN和块状Al。原子力的高精度允许较大的阶跃分子动力学。例如,在1100 K的Si的1 ps模拟中,离子步长为80 a.u.,每个原子的总能量保持在27 microeV之内。

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