關于圖形處理器的電子結構的計算從量子化學到凝聚態物理

Ross C.Walker

近20年以來，基于圖形處理器（GPU，Graphics Processing Units）的計算模擬技術快速發展，研究內容幾乎涵蓋了各個學科。本書通過梳理GPU技術的發展歷史，突出了GPU的技術優勢，并重點介紹了圖形處理器在電子結構計算方面的應用及進展。

全書分為兩個部分。第一部分 主要是計算科學的發展歷史和常用的電子結構計算方法，包含第1-3章：1.介紹并行計算的歷史背景和GPU技術的出現，突出GPU相對于CPU在海量數據處理方面的優勢；2.介紹目前最流行的CUDA通用并行計算架構，并分析了GPU技術對硬件和軟件的要求；3.總覽電子結構計算方法，包括哈特利-福克方法、密度泛函理論、半經驗理論等，并分析了不同的基組函數選擇對計算效率的影響。第二部分 主要是對各種不同基組函數和不同計算方法的細致分析，含第4-14章：4.基于GPU的高斯型基組的哈特利-?？朔椒ê兔芏确汉碚摰挠嬎?，進行了烯烴和水分子相互作用計算的實例，其主要應用于原子與分子的尺度；5.結合ADF軟件，分析了GPU對Slater型基組密度泛函理論的計算效率的提高；6.基于小波變換的大規模并行混合架構密度泛函理論計算；7.基于平面波的密度泛函理論電子結構計算方法，并對幾何結構弛豫、能帶結構與電子密度計算進行了分析。相比于CPU，GPU的計算速度更快，同時也對計算軟件的優化提出了更高的要求；8.GPU對線性標度算法中的稀疏矩陣乘法的加速；9.基于格點的投影綴加波方法，GPU在提升該方法計算速度方面還有很大的空間；10.GPU在實空間密度泛函和含時密度泛函理論方面的應用；11.GPU對半經驗的量子化學計算方法的優化；12.GPU對MollerPlesset二級微擾理論計算方法的改進；13.基于GPU的迭代耦合簇方法，此方法主要解決多體問題，并主要應用于費米子體系；14.基于GPU的微擾耦合簇方法，并從單參考態耦合簇方法和多參考態耦合簇方法兩個方面進行了分析。

本書對于圖形處理器的電子結構的計算方法做了細致的介紹，并在每一章都列舉了計算實例，輔助讀者理解GPU在數據計算方面的優勢。由于基于平面波的密度泛函理論是目前材料科學計算領域最常用的方法，因此作者在第7章花費了較多篇幅介紹了該方法的理論背景，并對CPU和GPU計算實例進行了比較，凸顯了GPU的計算優勢。因此本書對于從事計算軟件開發和材料計算科學的研究人員有重要的參考意義。

梁飛，博士研究生