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Development of the hybrid density functional theory on the real-space grid method and its implementation on massively parallel computers

Research Project

Project/Area Number 17K05138
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Research Field Computational science
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

Takahashi Hideaki  東北大学, 理学研究科, 准教授 (10291436)

Project Period (FY) 2017-04-01 – 2020-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2019: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2018: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2017: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Keywords超並列計算 / 実空間グリッド法 / 密度汎関数法 / Hartree-Fock交換エネルギー / FFT / CG / 実空間グリッド / HF交換エネルギー / 並列計算 / 3次元FFT / 実空間密度汎関数法 / 超並列化 / ポアソン方程式 / MPI / ハイブリッド汎関数 / 交換エネルギー
Outline of Final Research Achievements

In this subject we developed two types of implementation of the Hartree-Fock(HF) exchange energy using the real-space grid approach to achieve high efficiency in the parallel execution of the hybrid exchange functional in the density functional theory. We first reduce the problem of calculating the HF exchange energy to the solution of the Poisson equation presented on the discrete real-space grids. Then, the Poisson equations for the electrostatic potentials of the products of the orbital pairs were solved iteratively through the conjugate gradient (CG) method where the operation of Laplacian was parallelized by domain decomposition scheme. In the other approach, we adapted the three-dimensional fast Fourier transform (FFT), referred to as PFFT, to solve the Poisson equations.
It was shown in the benchmark tests that the parallel execution with the FFT approach is faster than that using the CG method because a larger bandwidth can be made available in the parallel execution of FFT.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

密度汎関数法(DFT)は化学や物理の理論の分野で必須のツールであり、これを並列計算によって高速化することは、DFT法の応用範囲を拡張する上で重要である。DFT計算の精度を向上させる為には、Hartree-Fockの交換エネルギーを部分的に含む、ハイブリッド汎関数の使用が標準となっている。実空間グリッド基底はDFTの並列計算を高速化する上で極めて有効であることが実証されているが、HF交換ポテンシャルのような非局所な演算子の実行には不利である。本研究の遂行によって実空間グリッド基底によるハイブリッド汎関数の実行が高速化され、ひいては、機能性分子の合成や反応のメカニズムの解明に資する。

Report

(4 results)
  • 2019 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2018 Research-status Report
  • 2017 Research-status Report
  • Research Products

    (18 results)

All 2020 2019 2018 2017

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 7 results) Presentation (11 results) (of which Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Large-Scale Parallel Implementation of Hartree?Fock Exchange Energy on Real-Space Grids Using 3D-Parallel Fast Fourier Transform2020

    • Author(s)
      H. Takahashi、S. Sakuraba、A. Morita
    • Journal Title

      Journal of Chemical Information and Modeling

      Volume: 60 Issue: 3 Pages: 1376-1389

    • DOI

      10.1021/acs.jcim.9b01063

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Role of the Photosystem II as an Environment in the Oxidation Free Energy of the Mn Cluster from S1 to S22019

    • Author(s)
      H. Takahashi、D. Suzuoka、S. Sakuraba、A. Morita
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 123 Issue: 33 Pages: 7081-7091

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.9b03831

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Calculation of solvation free energy utilizing a constrained QM/MM approach combined with a theory of solutions2019

    • Author(s)
      Takahashi Hideaki、Kambe Hiroyuki、Morita Akihiro
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 150 Issue: 11 Pages: 114109-114109

    • DOI

      10.1063/1.5089199

    • Related Report
      2018 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Density-functional theory based on the electron distribution on the energy coordinate2018

    • Author(s)
      Takahashi Hideaki
    • Journal Title

      Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics

      Volume: 51 Issue: 5 Pages: 055102-055102

    • DOI

      10.1088/1361-6455/aaaa0d

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A simple and effective solution to the constrained QM/MM simulations2018

    • Author(s)
      Takahashi Hideaki、Kambe Hiroyuki、Morita Akihiro
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 148 Issue: 13 Pages: 134119-134119

    • DOI

      10.1063/1.5019874

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Drastic Compensation of the Electronic and Solvation Effects on the ATP Hydrolysis Revealed through a Large-Scale QM/MM Simulations Combined with a Theory of Solutions2017

    • Author(s)
      Hideaki Takahashi, Satoru Umino, Yuuji Miki, Ryosuke Ishizuka, Akihiro Morita, Makoto Suzuki, and Nobuyuki Matubayasi
    • Journal Title

      J. Phys. Chem. B

      Volume: 121 Issue: 10 Pages: 2279-2287

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.7b00637

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      2017 Research-status Report
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  • [Journal Article] A QM/MM study on the correlation between the polarisations of and electrons in a hydrated benzene2017

    • Author(s)
      Suzuoka Daiki、Takahashi Hideaki、Morita Akihiro
    • Journal Title

      Molecular Simulation

      Volume: 43 Issue: 13-16 Pages: 1209-1217

    • DOI

      10.1080/08927022.2017.1350661

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  • [Presentation] QM/MM-ER法によるPSIIマンガンクラスター の光酸化の自由エネルギー解析2019

    • Author(s)
      高橋英明,鈴岡大樹 森田明弘
    • Organizer
      分子科学討論会
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      高橋英明,鈴岡大樹, 森田明弘
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      日本コンピュータ化学会
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      高橋英明
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      東北大学薬学研究科研究室セミナー
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      高橋 英明
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      「水和とATPエネルギー」研究会
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  • [Presentation] 拡張型QM/MM法の方法論開発とその応用2018

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      髙橋英明、神戸宏之、森田明弘
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      理論化学討論会
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    • Author(s)
      高橋 英明、森田 明弘
    • Organizer
      分子科学討論会
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  • [Presentation] QM/MM法による水表面における酢酸の酸性度の 自由エネルギー解析2018

    • Author(s)
      高橋 英明、劉 斯璋、森田 明弘
    • Organizer
      分子科学討論会
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  • [Presentation] QM/MM法と統計力学によるPSIIマンガン クラスターの酸化自由エネルギーの解析2018

    • Author(s)
      高橋 英明
    • Organizer
      福井謙一センターワークショップ「複合系の理論化学・計算化学:最近の研究状況と展望」
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    • Author(s)
      髙橋英明、海野悟、森田明弘
    • Organizer
      分子科学会討論会
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      2017 Research-status Report
  • [Presentation] QM/MM法によるPSIIマンガンクラスター の酸化自由エネルギーの解析2017

    • Author(s)
      髙橋英明
    • Organizer
      化学反応経路探索のニューフロンティア2017
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      2017 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 量子化学と溶液論による生体分子反応 の自由エネルギー解析2017

    • Author(s)
      髙橋英明
    • Organizer
      光化学討論会 共催シンポジウム 最先端光計測とライフサイエンスの近未来
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      2017 Research-status Report
    • Invited

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Published: 2017-04-28   Modified: 2021-02-19  

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