CP2K
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| 开发者 | CP2K 开发团队 |
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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 | 从头计算法量子化学方法、分子动力学、密度泛函理论、卡尔-帕里内洛分子动力学、计算化学 |
| 许可协议 | GNU通用公众授权条款 |
| 网站 | cp2k |
CP2K是一个以GPL授权、可自由取得的量子化学和固态物理程式套件，使用Fortran 2008编写，用于对固态、液态、分子、周期性、材料、晶体和生物系统进行原子级模拟。它为不同的计算方法提供了一个通用框架：使用混合高斯和平面波方法 (GPW) 的密度泛函理论 (DFT)，可透过局部密度近似 (LDA)、广义梯度近似 (GGA)、MP2 或RPA 等理论层级；经典对势和多体势；半 empirical 方法 (AM1、PM3、MNDO、MNDOd、PM6) 和紧束缚哈密顿量；以及依赖静电潜能高斯展开 (GEEP) 的量子力学/分子力学 (QM/MM) 混合方案。高斯与扩增平面波方法 (GAPW) 作为 GPW 方法的扩展，允许进行全电子计算。CP2K 可以进行分子动力学、元动力学 (metadynamics)、蒙地卡罗、艾伦费斯特动力学 (Ehrenfest dynamics)、振动分析、核心能阶光谱学、能量最小化以及使用微扰弹性带 (NEB) 或二聚体 (dimer) 方法的过渡态优化。
CP2K为Vim和Emacs编辑器提供语法高亮插件，以及其他用于输入产生和输出处理的工具。[3]
历史与重要里程碑
[编辑]CP2K 专案始于 2000 年，由Jürg Hutter（苏黎世大学）和Michele Parrinello（当时在苏黎世联邦理工学院）领导的团队将两套独立程式码合并：Parrinello 团队针对从头算分子动力学的程式与Hutter 团队处理周期性DFT计算的程式。其核心包括Quickstep（GPW∕GAPW 电子结构计算）与FIST（经典分子力学及 QM/MM）。
重要里程碑：
- 早期发展与 GPW 方法：奠定高效 高斯平面波 (GPW) 基础。
- 线性标度算法：使成本随系统大小呈线性扩展，支援大规模模拟。
- QM/MM 方法：推出高效耦合方案，可模拟大型生物或溶液反应。
- 扩充理论方法：整合 MP2、RPA、半经验与紧束缚等高阶方法。
- GPU 加速：对部分关键模组加入 NVIDIA CUDA 与 AMD HIP 支援。
- 社群开发：活跃的国际开源社群与 CP2K 基金会持续推动功能增强。
主要特性与功能
[编辑]- 核心算法与方法
- 密度泛函理论 (DFT)
- 高斯平面波 (GPW)
- 高斯扩增平面波 (GAPW)
- 轨道转换 (OT) 优化
- 波函数理论方法
- 半经验与紧束缚方法
- 经典力场：支援多种常用力场
- 支援的计算类型
- 分子动力学（BOMD、卡尔-帕里内洛分子动力学、艾伦费斯特、路径积分等）
- 元动力学与其他增强取样
- 蒙地卡罗模拟
- 几何优化、过渡态搜寻（NEB、Dimer）
- 振动分析、光谱性质（NMR、XAS）
- 电子密度、能带结构等
- 多尺度模拟
- 高效 QM/MM（GEEP 静电耦合、机械嵌入）
- 效能与平行计算
- 线性标度算法
- 混合 MPI+OpenMP 平行化
- GPU 加速（CUDA、HIP）
- 整合 ScaLAPACK、ELPA、LibXC 等高效数学库
应用领域
[编辑]- 材料科学：催化、表面科学、奈米材料、电池材料、固态物理
- 化学：反应机理、光谱学、溶液化学、分子团簇
- 生物物理与生物化学：大分子模拟、酶催化、药物设计
- 物理学：凝聚态物理、高压物理
- 地球科学：矿物物理、地球化学过程
参见
[编辑]- 卡尔-帕里内洛分子动力学
- 计算化学
- 分子动力学
- 蒙地卡罗算法
- 能量最小化
- 量子化学
- 量子化学计算程式
- 从头计算法量子化学方法
- Møller–Plesset微扰理论
- 哈特里-福克方法
- 随机相位近似
- 密度泛函理论
- 哈里斯泛函
- 紧束缚模型
- 半经验量子化学方法
主要论文
[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.
外部链接
[编辑]- CP2K GPW 方法介绍
- CP2K GPW 方法 PDF（2019 Ghent 会议）
- CP2K 官方网站
- 使用者论坛
- 第一次 CP2K 教学：在 MD 模拟中释放想像的力量
- 第二次 CP2K 教学：在 MD 模拟中释放想像的力量
- CP2K 使用者教学：“计算光谱学”
- Ascalaph，一个用于 CP2K 和其他量子化学软件的第三方图形化界面
参考资料
[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].