[发明专利]一种本征值求解方法、装置、计算机设备及存储介质

说明书

本发明公开了一种本征值求解方法、装置、计算机设备及存储介质。所述方法包括：在VASP中添加调用ELPA的声明，并在VASP中对ELPA进行初始化；将VASP的变量参数传递至ELPA，并基于变量参数建立ELPA与VASP的通讯；将ELPA的求解器分配给VASP，并由VASP利用所分配的求解器对VASP中本征值求解任务进行处理；若本征值求解任务处理完成，则结束VASP对ELPA的调用。本发明的方案实现了VASP软件与第三方数学库ELPA软件的调用，使得最消耗计算机时的本征值求解过程可以利用ELPA的求解器处理，达到了对于VASP软件进行了性能优化的目的，利用更高效的本征值求解器极大的提高了VASP软件的计算性能，以及软件扩展性。

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种本征值求解方法、装置、计算机设备及存储介质。

背景技术

材料科学领域的研究方法可以分为以下四个发展阶段：实验测试、理论模型构建与推导、基于HPC的计算模拟以及利用机器学习结合数据挖掘的方法进行材料研究。其中，第三阶段，基于第一性原理计算的密度泛函理论(DFT)目前仍然是材料科学领域研究的重要技术手段。目前市面上有多款开源或者是商业软件用于解决以上科学问题，比如VASP(Eigenvalue SoLvers for Petaflop-Application)，CP2K，Quantum Espresso，Siesta等等软件。其中，VASP软件是一款通过近似求解薛定谔方程来得到研究体系的基态能量，从而得到一系列的基态性质的基于第一性原理计算的商用软件，也是计算材料科学领域应用最为广泛的软件之一。目前全球绝大多数超算中心都安装了VASP软件，据统计，VASP软件的作业机时占用全球总机时的12-20％，但由于其类似于Linpack软件，是重型浮点计算密集型应用，因此实际上其耗电量所占比例高达30-50％。

从物理上来看，VASP软件依赖于密度泛函理论，可以进一步将求解体系的薛定谔方程，近似为求解Kohn-Sham方程，简单来说就是将求解整个体系的能量本征值问题简化为求解一系列单电子的本征函数和本征。并且在Kohn-Sham理论中，仅仅需要得到最低能级的一些能量本征值和本征矢量即可，因为他们对应于电子的“占据轨道”。

从数学上来讲，这个过程其实是在求解一个复杂的线性方程组，求解过程本质上是矩阵对角化。然而由于哈密顿量本身依赖于需要被求解的电荷密度，所以一般采取自洽求解的方式处理Kohn-Sham方程。即便对于一个简单的体系也需要经过数十次的迭代过程，而规模大的计算模拟体系则需要成千上万次迭代计算。

从计算机角度来看，利用矩阵对角化求解本征值问题，一般计算量与体系规模呈三次方正比。因此如果利用VASP来计算大规模体系，计算量是非常可怕的，并且这部分会消耗绝大部分的计算时长。除此之外，如果将Kohn-Sham方程直接作为一个线性方程组在计算机中并行处理，由于算法限制，节点间需要非常密集的通讯操作。特别是在具有上千个计算节点，上万个计算核心的大规模并行计算机系统上，求解矩阵本征值问题中不可避免的数据通讯会严重影响计算性能的提升。以上两方面可以说是VASP软件目前的主要性能瓶颈，因此急需好的优化策略来提高其计算性能。

发明内容

有鉴于此，有必要针对本征值求解任务过多占用VASP软件计算资源的问题提供一种本征值求解方法、装置、计算机设备及存储介质。

根据本发明的第一方面，提供了一种本征值求解方法，所述方法包括：

在VASP中添加调用ELPA的声明，并在VASP中对ELPA进行初始化；

将VASP的变量参数传递至ELPA，并基于所述变量参数建立ELPA与VASP的通讯；

将ELPA的求解器分配给VASP，并由VASP利用所分配的求解器对VASP中本征值求解任务进行处理；

若所述本征值求解任务处理完成，则结束VASP对ELPA的调用。