关于图形处理器的电子结构的计算从量子化学到凝聚态物理

Ross C.Walker

近20年以来，基于图形处理器（GPU，Graphics Processing Units）的计算模拟技术快速发展，研究内容几乎涵盖了各个学科。本书通过梳理GPU技术的发展历史，突出了GPU的技术优势，并重点介绍了图形处理器在电子结构计算方面的应用及进展。

全书分为两个部分。第一部分 主要是计算科学的发展历史和常用的电子结构计算方法，包含第1-3章：1.介绍并行计算的历史背景和GPU技术的出现，突出GPU相对于CPU在海量数据处理方面的优势；2.介绍目前最流行的CUDA通用并行计算架构，并分析了GPU技术对硬件和软件的要求；3.总览电子结构计算方法，包括哈特利-福克方法、密度泛函理论、半经验理论等，并分析了不同的基组函数选择对计算效率的影响。第二部分 主要是对各种不同基组函数和不同计算方法的细致分析，含第4-14章：4.基于GPU的高斯型基组的哈特利-福克方法和密度泛函理论的计算，进行了烯烃和水分子相互作用计算的实例，其主要应用于原子与分子的尺度；5.结合ADF软件，分析了GPU对Slater型基组密度泛函理论的计算效率的提高；6.基于小波变换的大规模并行混合架构密度泛函理论计算；7.基于平面波的密度泛函理论电子结构计算方法，并对几何结构弛豫、能带结构与电子密度计算进行了分析。相比于CPU，GPU的计算速度更快，同时也对计算软件的优化提出了更高的要求；8.GPU对线性标度算法中的稀疏矩阵乘法的加速；9.基于格点的投影缀加波方法，GPU在提升该方法计算速度方面还有很大的空间；10.GPU在实空间密度泛函和含时密度泛函理论方面的应用；11.GPU对半经验的量子化学计算方法的优化；12.GPU对MollerPlesset二级微扰理论计算方法的改进；13.基于GPU的迭代耦合簇方法，此方法主要解决多体问题，并主要应用于费米子体系；14.基于GPU的微扰耦合簇方法，并从单参考态耦合簇方法和多参考态耦合簇方法两个方面进行了分析。

本书对于图形处理器的电子结构的计算方法做了细致的介绍，并在每一章都列举了计算实例，辅助读者理解GPU在数据计算方面的优势。由于基于平面波的密度泛函理论是目前材料科学计算领域最常用的方法，因此作者在第7章花费了较多篇幅介绍了该方法的理论背景，并对CPU和GPU计算实例进行了比较，凸显了GPU的计算优势。因此本书对于从事计算软件开发和材料计算科学的研究人员有重要的参考意义。

梁飞，博士研究生