大規模並列量子化学計算オープンソースソフトウェアSMASHの高性能化と汎用化

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16K00175
• 研究機関: 分子科学研究所
• 研究代表者: 石村 和也 分子科学研究所, 理論・計算分子科学研究領域, 特任研究員 (80390681)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 並列計算アルゴリズム / 量子化学 / スーパーコンピュータ / オープンソースソフトウェア / 大規模並列計算 / SMASH

研究実績の概要

最終年度は、平成29年度までに開発したmodule変数廃止及びデータ引数化を行った大規模並列量子化学計算プログラムSMASHをMPI並列化した。シングルノード版と同様に2-3%程度のオーバーヘッドはあるものの、Pythonから呼び出してMPI並列実行が可能になり、データの流れが明確になるとともにプログラムの利用の幅を広げた。また、あらわに電子と点電荷相互作用を取り扱った周期境界条件下での量子化学計算と分子力学計算を組み合わせたQM/MM-PBC計算アルゴリズムとプログラム開発も行い、Ewald法におけるsurface-dipole項が無視できないことを示した。
研究期間を通して、Hartree-Fock及びDFT計算については、最も計算時間がかかる2電子項計算の4重ループの前半をまとめてOpenMP並列化するなどメニーコアマシンでも並列化効率が低下しないよう改良し、Xeon Phiマシン60スレッドでも高い並列加速率を示した。複雑な分子系の繰り返し計算回数を削減するため、2次収束法のMPI/OpenMP並列計算アルゴリズムも開発した。弱い相互作用を取り扱える2次の摂動(MP2)法については、一部計算の複数回計算によりメモリ使用量を削減、演算と通信のオーバーラップにより通信時間を削減するアルゴリズムを開発した。小幅な計算時間増加で大幅なメモリ使用量削減ができ、さらに通信時間は半減し、より実用的なプログラムとなった。2種類の金属元素クラスタの安定構造、金属上での一酸化窒素の2量化反応など触媒反応における貴金属削減に向けた計算も行った。

研究成果

• [雑誌論文] Ab initio quantum mechanics/molecular mechanics method with periodic boundaries employing Ewald summation technique to electron-charge interaction: Treatment of the surface-dipole term (2019)
  • 著者名/発表者名: Kawashima Y.、Ishimura K.、Shiga M.
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 150 ページ: 124103～124103
  • DOI: 10.1063/1.5048451
  • 査読あり
• [雑誌論文] Double aromaticity arising from σ- and π-rings (2018)
  • 著者名/発表者名: Furukawa Shunsuke、Fujita Masahiro、Kanatomi Yoshihiko、Minoura Mao、Hatanaka Miho、Morokuma Keiji、Ishimura Kazuya、Saito Masaichi
  • 雑誌名: Communications Chemistry 巻: 1 ページ: 60
  • DOI: 10.1038/s42004-018-0057-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] First-Order Interacting Space Approach to Excited-State Molecular Interaction: Solvatochromic Shift of p-Coumaric Acid and Retinal Schiff Base (2018)
  • 著者名/発表者名: Yanai Kazuma、Ishimura Kazuya、Nakayama Akira、Hasegawa Jun-ya
  • 雑誌名: Journal of Chemical Theory and Computation 巻: 14 ページ: 3643～3655
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.7b01089
  • 査読あり
• [学会発表] Development of Massively Parallel Quantum Chemistry Calculation Program SMASH (2019)
  • 著者名/発表者名: Kazuya Ishimura
  • 学会等名: International Workshop on Massively Parallel Programming for Quantum Chemistry and Physics 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 大規模並列量子化学計算プログラムSMASHの開発と応用計算 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石村和也
  • 学会等名: 第7回材料系ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] Pythonを用いた大規模並列量子化学計算プログラムSMASHの制御 (2018)
  • 著者名/発表者名: 石村和也
  • 学会等名: 第21回理論化学討論会
• [学会発表] Development of Massively Parallel Software for Quantum Chemistry Calculations (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazuya Ishimura
  • 学会等名: 7th JCS(Japan-Czech-Slovak) SYMPOSIUM
  • 国際学会
• [学会発表] SMASH: Massively Parallel Software for Quantum Chemistry Calculations (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazuya Ishimura
  • 学会等名: 16th International Congress of Quantum Chemistry
  • 国際学会
• [備考] 大規模並列量子化学計算プログラムSMASH
  • URL: http://smash-qc.sourceforge.net/