Nankai University第五章第五章第五章第五章 分子结构分子结构分子结构分子结构 计算化学基础计算化学基础计算化学基础计算化学基础 （讲座）（讲座）（讲座）（讲座）Nankai University5.0 5.0 计算化学发展背景计算化学发展背景计算化学发展背景计算化学发展背景5.0.1 5.0.1 计算机的发展计算机的发展计算机的发展计算机的发展硬件背景硬件背景硬件背景硬件背景大量原来无法想象的计算可以轻易完成大量原来无法想象的计算可以轻易完成大量原来无法想象的计算可以轻易完成大量原来无法想象的计算可以轻易完成计算机的硬件高速发展计算机的硬件高速发展计算机的硬件高速发展计算机的硬件高速发展计算速度高速增长计算速度高速增长计算速度高速增长计算速度高速增长Nankai UniversityCM-5/1024 At Los Alamos 1993.06Fujitsu Numerical Wind Tunnel 1993.111997.5ASCI Red 1997.62000.10ASCI White 2000.112002.5The Earth Simulator 2002.62004.10Blue Gene/L 2004.112008.10IBM Roadrunner 2008.112009.10Jaguar 2009.112010.10曾曾曾曾 经经经经 的的的的 Top 1Top 1Nankai UniversityK computer 2011.6Tianhe-1A 2010.102011.5List System Vendor Total Cores Rmax(GFs) Rpeak(GFs) Power (Kw) 06/1993 CM-5/1024 Thinking Machines Corporation 102459.70131.0011/1993 Numerical Wind Tunnel Fujitsu 140191.98235.796/1997 ASCI Red Intel 96322379.003207.0011/2000 ASCI White, IBM 81927304.0012288.0006/2002 Earth-Simulator NEC 512035860.0040960.003200.0011/2004 Blue Gene/L IBM 212992478200.00596378.0011/2008 Roadrunner IBM 1296001105000.001456704.002483.0011/2009 Jaguar Cray Inc. 2241621759000.002331000.006950.0011/2010 Tianhe-1A NUDT 1863682566000.004701000.004040.0011/2011 K computer Fujitsu 70502410510000.0011280384.0012659.89Nankai UniversityNankai UniversityNankai University“ “南开之星南开之星南开之星南开之星” ” 800800个个个个Xeon 3.06G CPU, 400Xeon 3.06G CPU, 400个节点，实个节点，实个节点，实个节点，实 测计算能力最终达到了测计算能力最终达到了测计算能力最终达到了测计算能力最终达到了3.2313.231万亿次，实测效率达到万亿次，实测效率达到万亿次，实测效率达到万亿次，实测效率达到68.74% 68.74% TOP 20(TOP 20(预测预测预测预测) ) Top 42(2004.6)Top 42(2004.6) Top 61(2004.11)Top 61(2004.11) TopTop 135(2005.11)135(2005.11) TopTop 235 (2006.6)235 (2006.6) TopTop 348 (2006.11)348 (2006.11) 跌出跌出跌出跌出Top500Top500 (2007.6 (2007.6 第第第第500500名名名名 4.0054.005万亿万亿万亿万亿) ) (2007.11 (2007.11 第第第第500500名名名名 5.935.93万亿万亿万亿万亿) ) (2008.11 (2008.11 第第第第500500名名名名 12.6012.60万亿万亿万亿万亿) ) (2009.11 (2009.11 第第第第500500名名名名 20.05120.051万亿万亿万亿万亿) )Nankai UniversityRank Name Site YearSegment 2 Tianhe-1A 国家超级计算天津中心 2010Research 4 Nebulae 国家超级计算深圳中心 2010Research 14 Sunway Blue Light国家超级计算济南中心 2011Research 16 Tianhe-1A 国家超级计算长沙中心 2011Research 21 Mole-8.5 中科院过程工程研究所 2011Academic 58 Magic Cube 上海超级计算中心 2008Research 81 Government 2011Research 115 中科院计算机网络信息中心2008Academic 123，124Internet Service 2011Industry 136 清华大学 2011Academic 20112011年年年年1111月月月月 TOP500TOP500中国有中国有中国有中国有74747474台超级计算机入围台超级计算机入围台超级计算机入围台超级计算机入围Nankai University 软件软件软件软件的发展使用户勿需具备高深的理论知识，只要有的发展使用户勿需具备高深的理论知识，只要有的发展使用户勿需具备高深的理论知识，只要有的发展使用户勿需具备高深的理论知识，只要有 一般的计算机应用能力，就可以很容易地完成许多计算一般的计算机应用能力，就可以很容易地完成许多计算一般的计算机应用能力，就可以很容易地完成许多计算一般的计算机应用能力，就可以很容易地完成许多计算 化学的简单工作。化学的简单工作。化学的简单工作。化学的简单工作。 大量的化学和生命科学工作者进入该领域，希望应用现大量的化学和生命科学工作者进入该领域，希望应用现大量的化学和生命科学工作者进入该领域，希望应用现大量的化学和生命科学工作者进入该领域，希望应用现 代的计算化学技术来辅助、指导他们的研究工作。代的计算化学技术来辅助、指导他们的研究工作。代的计算化学技术来辅助、指导他们的研究工作。预测尚未合成的化合物的性质代的计算化学技术来辅助、指导他们的研究工作。预测尚未合成的化合物的性质预测尚未合成的化合物的性质预测尚未合成的化合物的性质 ( (制药、材料制药、材料制药、材料制药、材料) ) 全面地了解分子的性质全面地了解分子的性质全面地了解分子的性质全面地了解分子的性质( (生命科学领域生命科学领域生命科学领域生命科学领域) ) 理论化学家理论化学家理论化学家理论化学家主要致力计算化学方法的研究，需要对某主要致力计算化学方法的研究，需要对某主要致力计算化学方法的研究，需要对某主要致力计算化学方法的研究，需要对某 个范围内的理论问题具有精深的理解，同时还需要有相个范围内的理论问题具有精深的理解，同时还需要有相个范围内的理论问题具有精深的理解，同时还需要有相个范围内的理论问题具有精深的理解，同时还需要有相 当的数学和计算机编程能力。当的数学和计算机编程能力。当的数学和计算机编程能力。当的数学和计算机编程能力。 应用研究应用研究应用研究应用研究应用已成熟的理论、方法和编写好的软件进应用已成熟的理论、方法和编写好的软件进应用已成熟的理论、方法和编写好的软件进应用已成熟的理论、方法和编写好的软件进 行具体体系的研究。行具体体系的研究。行具体体系的研究。行具体体系的研究。5.0.2 5.0.2 软件背景软件背景软件背景软件背景Nankai University科恩科恩科恩科恩(1923(1923- -, Walter Kohn), Walter Kohn) 因发展密度泛函理论因发展密度泛函理论因发展密度泛函理论波普尔因发展密度泛函理论波普尔波普尔波普尔(1925(1925- -2004, John Anthony Pople)2004, John Anthony Pople) 因发展量子化学的计算方法因发展量子化学的计算方法因发展量子化学的计算方法因发展量子化学的计算方法DFT方法是当今最为常用的量子化学方法之一。它比 基于波函数的一些现代方法更简单，所以可用于大分 子计算。目前，可以用来处理几百个原子的体系。 DFT已引起量子化学的第二次革命，没有Kohn的先驱 性工作这是决不可能的。30年前，量子化学的努力被许多化学家嘲笑为无用的事 情，影响很小。当今已完全不同了，毫无疑问，人们已 认识到了量子化学的用处和巨大威力。这种突破是最近 一二十年化学中最主要的发展之一。在这些做出突破贡 献的众多科学家中，Pople是最重要和取决定性作用的 代表。Pople已成为大师级创造者，他使化学家采用量他使化学家采用量他使化学家采用量他使化学家采用量 子化学方法连同他们的实验仪器作为日常工具成为可能。子化学方法连同他们的实验仪器作为日常工具成为可能。子化学方法连同他们的实验仪器作为日常工具成为可能。子化学方法连同他们的实验仪器作为日常工具成为可能。19981998年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖Nankai University5.1 5.1 计算化学的一些基本概念计算化学的一些基本概念计算化学的一些基本概念计算化学的一些基本概念5.1.15.1.1计算化学概念计算化学概念计算化学概念计算化学概念1. 1. 计算化学计算化学计算化学计算化学(computational chemistry)(computational chemistry)泛指基于三维分子结泛指基于三维分子结泛指基于三维分子结泛指基于三维分子结 构，在计算机上用来模拟分子或分子体系性质的方法。构，在计算机上用来模拟分子或分子体系性质的方法。构，在计算机上用来模拟分子或分子体系性质的方法。构，在计算机上用来模拟分子或分子体系性质的方法。 计算化学与计算化学与计算化学与分子模拟计算化学与分子模拟分子模拟分子模拟(molecular modelling)(molecular modelling)的概念相似，的概念相似，的概念相似，的概念相似， 包含了量子力学、分子力学、结构优化、模拟和构象分包含了量子力学、分子力学、结构优化、模拟和构象分包含了量子力学、分子力学、结构优化、模拟和构象分包含了量子力学、分子力学、结构优化、模拟和构象分 析等等。析等等。析等等。析等等。 Quantum Mechanics(QM) Quantum Mechanics(QM) 量子力学量子力学量子力学量子力学 Molecular Mechanics(MM) Molecular Mechanics(MM) 分子力学分子力学分子力学分子力学 Theoretical Chemistry Theoretical Chemistry 理论化学理论化学理论化学理论化学 Computational ChemistryComputational Chemistry计算化学计算化学计算化学计算化学 Computer ChemistryComputer Chemistry计算机化学计算机化学计算机化学计算机化学 Molecular ModelingMolecular Modeling分子模拟分子