CP2K
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| 開發者 | CP2K 開發團隊 |
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| 首次发布 | 2000年 |
| 当前版本 | 2025.1[1] （2025年3月11日） |
| 源代码库 | |
| 编程语言 | Fortran[2] |
| 操作系统 | Linux、macOS、Windows |
| 类型 | 從頭計算法量子化學方法、分子動力學、密度泛函理論、卡爾-帕里內洛分子動力學、計算化學 |
| 许可协议 | GNU通用公眾授權條款 |
| 网站 | cp2k |
CP2K是一個以GPL授權、可自由取得的量子化學和固態物理程式套件，使用 Fortran 2008 編寫，用於對固態、液態、分子、週期性、材料、晶體和生物系統進行原子級模擬。它為不同的計算方法提供了一個通用框架：使用混合高斯和平面波方法 (GPW) 的密度泛函理論 (DFT)，可透過局部密度近似 (LDA)、廣義梯度近似 (GGA)、MP2 或RPA 等理論層級；經典對勢和多體勢；半 empirical 方法 (AM1、PM3、MNDO、MNDOd、PM6) 和緊束縛哈密頓量；以及依賴靜電潛能高斯展開 (GEEP) 的量子力學/分子力學 (QM/MM) 混合方案。高斯與擴增平面波方法 (GAPW) 作為 GPW 方法的擴展，允許進行全電子計算。CP2K 可以進行分子動力學、元動力學 (metadynamics)、蒙地卡羅、艾倫費斯特動力學 (Ehrenfest dynamics)、振動分析、核心能階光譜學、能量最小化以及使用微擾彈性帶 (NEB) 或二聚體 (dimer) 方法的過渡態優化。
CP2K為Vim和Emacs編輯器提供語法高亮外掛程式，以及其他用於輸入產生和輸出處理的工具。[3]
歷史與重要里程碑
[编辑]CP2K 專案始於 2000 年，由 Jürg Hutter（蘇黎世大學）和 Michele Parrinello（當時在蘇黎世聯邦理工學院）領導的團隊將兩套獨立程式碼合併：Parrinello 團隊針對從頭算分子動力學的程式與 Hutter 團隊處理週期性 DFT 計算的程式。其核心包括 Quickstep（GPW∕GAPW 電子結構計算）與 FIST（經典分子力學及 QM/MM）。
重要里程碑：
- 早期發展與 GPW 方法：奠定高效 高斯平面波 (GPW) 基礎。
- 線性標度演算法：使成本隨系統大小呈線性擴展，支援大規模模擬。
- QM/MM 方法：推出高效耦合方案，可模擬大型生物或溶液反應。
- 擴充理論方法：整合 MP2、RPA、半經驗與緊束縛等高階方法。
- GPU 加速：對部分關鍵模組加入 NVIDIA CUDA 與 AMD HIP 支援。
- 社群開發：活躍的國際開源社群與 CP2K 基金會持續推動功能增強。
主要特性與功能
[编辑]- 核心演算法與方法
- 密度泛函理論 (DFT)
- 高斯平面波 (GPW)
- 高斯擴增平面波 (GAPW)
- 軌道轉換 (OT) 優化
- 波函數理論方法
- 半經驗與緊束縛方法
- 經典力場：支援多種常用力場
- 支援的計算類型
- 分子動力學（BOMD、卡爾-帕里內洛分子動力學、艾倫費斯特、路徑積分等）
- 元動力學與其他增強取樣
- 蒙地卡羅模擬
- 幾何優化、過渡態搜尋（NEB、Dimer）
- 振動分析、光譜性質（NMR、XAS）
- 電子密度、能帶結構等
- 多尺度模擬
- 高效 QM/MM（GEEP 靜電耦合、機械嵌入）
- 效能與平行計算
- 線性標度演算法
- 混合 MPI+OpenMP 平行化
- GPU 加速（CUDA、HIP）
- 整合 ScaLAPACK、ELPA、LibXC 等高效數學庫
應用領域
[编辑]- 材料科學：催化、表面科學、奈米材料、電池材料、固態物理
- 化學：反應機理、光譜學、溶液化學、分子團簇
- 生物物理與生物化學：大分子模擬、酶催化、藥物設計
- 物理學：凝聚態物理、高壓物理
- 地球科學：礦物物理、地球化學過程
參見
[编辑]- 卡爾-帕里內洛分子動力學
- 計算化學
- 分子動力學
- 蒙地卡羅演算法
- 能量最小化
- 量子化學
- 量子化學計算程式
- 從頭計算法量子化學方法
- Møller–Plesset微擾理論
- 哈特里-福克方法
- 隨機相位近似
- 密度泛函理論
- 哈里斯泛函
- 緊束縛模型
- 半經驗量子化學方法
主要論文
[编辑]- Kühne, Thomas; Iannuzzi, Marcella; et al. CP2K：一個電子結構與分子動力學軟體套件 - Quickstep：高效且精確的電子結構計算. Journal of Chemical Physics. 2020, 152 (19): 194103. Bibcode:2020JChPh.152s4103K. PMID 33687235. arXiv:2003.03868
. doi:10.1063/5.0007045 . - Lippert, Gerald; Hutter, Jürg ; Parrinello, Michele. 一種混合高斯與平面波的密度泛函方案. Molecular Physics. 1997, 92 (3): 477–487. Bibcode:1997MolPh..92..477L. doi:10.1080/002689797170220.
- Lippert, Gerald; Hutter, Jürg; Parrinello, Michele. 用於從頭算分子動力學模擬的高斯與擴增平面波密度泛函方法. Theoretical Chemistry Accounts: Theory, Computation, and Modeling. 1999, 103 ( 2): 124–140. S2CID 124305820. doi:10.1007/s002140050523.
- Kühne, Thomas D.; Krack, Matthias; Mohamed, Fawzi; Parrinello, Michele. 一種高效且精確的類卡爾-帕里內洛方法用於玻恩-奧本海默分子動力學. Physical Review Letters. 2007, 98 ( 6): 066401. Bibcode:2007PhRvL..98f6401K. PMID 17358962. S2CID 8088072. cond-mat/0610552 arXiv: cond-mat/0610552 请检查
|arxiv=值 (帮助). doi:10.1103/PhysRevLett.98.066401. - Krack, Matthias; Parrinello, Michele. 全電子從頭算分子動力學. Physical Chemistry Chemical Physics. 2000, 2 (10): 2105–2112. Bibcode:2000PCCP....2.2105K. S2CID 97061785. doi:10.1039/B001167N.
- Kühne, Thomas D. 第二代卡爾-帕里內洛分子動力學. WIREs Computational Molecular Science. 2014, 4 ( 4): 391–406. S2CID 15360296. 1201.5945 arXiv: 1201.5945 请检查
|arxiv=值 (帮助). doi:10.1002/wcms.1176. - Laino, Teodoro; Mohamed, Fawzi; Laio, Alessandro; Parrinello, Michele. 一種高效的實空間多重網格 QM/MM 靜電耦合方法. Journal of Chemical Theory and Computation. 2005, 1 ( 6): 1176–1184. PMID 26631661. doi:10.1021/ct050123f.
- Laino, Teodoro; Mohamed, Fawzi; Laio, Alessandro; Parrinello, Michele. 一種用於處理 QM/MM 模擬中週期性邊界條件的高效線性標度靜電耦合方法. Journal of Chemical Theory and Computation. 2006, 2 ( 5): 1370–1378. PMID 26626844. doi:10.1021/ct6001169.
外部連結
[编辑]- CP2K GPW 方法介紹
- CP2K GPW 方法 PDF（2019 Ghent 会议）
- CP2K 官方網站
- 使用者論壇
- 第一次 CP2K 教學：在 MD 模擬中釋放想像的力量
- 第二次 CP2K 教學：在 MD 模擬中釋放想像的力量
- CP2K 使用者教學：「計算光譜學」
- Ascalaph，一個用於 CP2K 和其他量子化學軟體的第三方圖形化介面
參考資料
[编辑]- ^ https://manual.gromacs.org/2025.1/release-notes/2025/2025.1.html; 检索日期: 2025年4月1日.
- ^ CP2K 關於維基頁面. [2015-03-19].
- ^ CP2K 工具. [2015-03-19].