当前位置:

计算化学:源自高性能计算的魅力

2017/09/11

在大家的印象中,对化学的一般印象就是色彩斑斓、纷繁复杂的各类化学实验。不可否认,化学确实是一门基于实验的学科,时至今日,实验在化学中依旧占据着不可撼动的地位。然而由于受限于各种制约,也有实验所不可及的地方,而且有些实验的可靠性也是个问题。那么,有没有一种实验之外的化学也可以进行化学研究呢?答案是肯定的:那就是计算化学 (Computational Chemistry)

那么,究竟什么是计算化学呢?简单来说,计算化学是根据基本的物理化学理论(通常是量子化学)通过高性能计算来探讨化学系统的性质。比如以量子化学计算来解释实验上各种化学现象,帮助研究人员以较具体的概念来了解、分析观察到的结果;对于未知或不易观测的化学系统,通过计算化学来提供预测以及指明进一步研究的方向。另外,计算化学也常被用来验证、测试、修正或发展较高层次的化学理论。

计算化学领域中有一个核心矛盾——如何既能保证高精度,又要耗费更少的时间与计算资源。随着近年来计算机硬件的不断发展,高精度的计算方法因时间与资源的限制越来越宽松。因而只要时间与资源的需求可容忍,那就尽可能追求高精度。以往计算化学所研究的系统主要局限在气态中的中小型分子,但近来国际上一些主要化学期刊中已陆续出现准确仿真大型生化系统的计算化学研究。

各种现象表明,目前高性能计算,包括计算化学的发展趋势都是朝着大型生化仿真系统、高通量并发计算方向发展,利用GPU加速卡构建高通量计算平台,以便于完成传统化学计算模式无法完成的大量结构计算需求,能够通过并发计算研究系统的多种化学性质,迅速积累出所需的数据库,这是国内外高通量计算领域的发展趋势。数十年来,藉由计算化学的研究使得我们大幅增加了对许多化学现象的了解,而随着计算能力的大幅增加,在将来的化学研究中计算化学将扮演更加重要的角色。

国家超级计算深圳中心的计算平台支撑着各类化学研究,然而这里没有刺鼻的化学气味,也没有做实验的烧杯等瓶瓶罐罐,迎面而来的,是一台挨着一台的干净整齐的服务器,这就是高性能计算的魅力。在这里,所有的化学结果不是通过观察化学反应得出的,而是用超级计算机算出来的。

中心计算平台配置的VASPGaussian09Material StudioSpartan 14Turbomole等各类计算化学模拟软件为广大的计算化学研究人员提供了各类计算化学模拟服务。虽然计算化学现在还处于发展阶段,并且有很多问题亟待解决,限制了实际应用价值。但是相信随着高性能计算的不断发展以及计算化学本身理论的不断完善,计算化学会有一天完全发挥出应有的潜力。