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[量化理论] 吐槽:近6年来量化计算方法缺乏大的进展

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近6年来量化计算方法缺乏大的进展

文/Sobereva  2017-Feb-13

2001~2010的10年间,量化上重要的进展一大把,很多都得到了广泛应用、在量化程序中也被广泛支持:
DFT-D2/D3
M06-2X、wB97XD
双杂化泛函
范围分离泛函
COSX、RIJK
SCS-MP2、SCS-CCSD等
SMD
PM6
TDDFT一阶解析导数的广泛普及
...
还有一些很有意义的小进展:
G4、Wn系列
def2系列基组
pcS、pcJ基组
...

而近6年来,从2011开始,虽然量化计算方法的文章极多,benchmark也满天飞,但冷静下来,明显会感觉缺乏重大的进展。小进展倒也有一些,不过重要性相对于以上,则要么价值低得多,要么颇有槽点:
gCP:《大体系弱相互作用计算的解决之道》(http://sobereva.com/214)一文中介绍过,虽然挺有用,但普及速度远不及DFT-D3,主流量化程序仅ORCA支持
PM6带色散校正的一大票变体:虽然很有用,弥补了PM6算色散作用的重大缺陷,但本身没多少技术含量
PM7:比起PM6主要改进也就是算色散作用,但实际上加个D3就解决了,反倒是PM7用的校正形式被指出并不很合理
sTDA:算几百原子体系电子光谱的很有价值的方法,但被使用得仍很少(尽管Grimme网站上提供了公开的程序,而且能支持Gaussian)。不过不排除会火的可能性
DLPNO-CCSD(T):看似很美好,但速度与数值精度终究不可兼得,在我来看用最好的双杂化结合def2-QZVP开RI才是王道
明尼苏达系列泛函的后续发展:对于分子体系,在M06系列已经近乎达到了巅峰,后来再也没油水可榨,搞出的M11就是个破烂,之后不得不转战在拟合参数上还没利用过的周期性体系了,没几年就弄出一堆泛函:N12、MN12-L、N12-SX、MN12-SX、HLE16,同时也继续对分子体系拟合来拟合去,弄出来GAM、MN15、MN15-L。给我的感觉就是比较浮躁,这么搞下去也没什么前途
w调控:近年来红红火火,能把激发能、单三重态能量差、超极化率等算得不错,不过也不是万能(e.g. DOI: 10.1002/jcc.24716)
DSD-PBEP86:目前最好的双杂化泛函之一,挺有用,不过其历史意义远比不上当年B2PLYP提出时开创双杂化泛函这一概念。相关介绍见《Gaussian中非内置的理论方法和泛函的用法》(http://sobereva.com/344

近年来量化计算方法上缺乏重大进展,也反映在g16的新功能乏善可陈。虽然ORCA4.0已经放出了一些风声,但也没有什么令人眼前一亮的(除了Grimme的FOD方法值得把玩一下)。GAMESS-US、molpro等程序近几个大版本也同样没什么很有价值的新功能。

GPU在量化上的应用一直就是个鸡肋,近六年来也没什么很有意义的进展,Terachem早已经被吐槽过了《首个完全基于GPU的量化软件-TeraChem杂谈及真实性能测试》(http://sobereva.com/137)。根据已知信息,g16对GPU的支持简直就是摆设:只对大体系加速有用,还只支持一块卡将近顶一台双路服务器的Tesla K40、K80。

人民群众急需的TDDFT二阶解析导数可算在g16中有了,结果还只支持真空的,用着很憋屈。

虽然离2021还有4年,量化上还会有一些有价值的进展,不过明显不指望2011~2020期间能有2001~2010期间的昌盛景象了。

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发表于 Post on 2017-2-13 08:55:15 | 只看该作者 Only view this author
估计大家在等量子计算机的问世

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挖金子是容易的,找金子是困难的

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发表于 Post on 2017-2-13 10:35:34 | 只看该作者 Only view this author
是否跟计算机计算能力的瓶颈到来有关?

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发表于 Post on 2017-2-13 13:09:21 | 只看该作者 Only view this author
那么有一个问题就是:
量化计算方法在哪方面的进展是目前最需要的?

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发表于 Post on 2017-2-13 14:19:06 | 只看该作者 Only view this author
可能是我不了解,感觉周期性体系的第一性原理进展更慢啊。
感觉杂化泛函都还不十分普及,因为速度慢。
对于CsPbI3之类的钙钛矿体系,就因为有个Pb,就成为难算的体系了。
华北电力大学数理学院,理论与计算化学,团簇、表面的结构与反应机理。(招第一性原理计算,量子化学计算方向的教师、硕士/博士研究生)

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发表于 Post on 2017-2-13 14:27:29 | 只看该作者 Only view this author
不知道Perdew组最近做的SCAN泛函前景怎样?citation不少,去年的文章,现在已经78次

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2017-2-13 15:32:18 | 只看该作者 Only view this author
helpme 发表于 2017-2-13 14:19
可能是我不了解,感觉周期性体系的第一性原理进展更慢啊。
感觉杂化泛函都还不十分普及,因为速度慢。
对 ...

同感
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 楼主 Author| 发表于 Post on 2017-2-13 15:40:25 | 只看该作者 Only view this author
ggdh 发表于 2017-2-13 13:09
那么有一个问题就是:
量化计算方法在哪方面的进展是目前最需要的?


个人见解:
1 搞一个精度接近DFT,但是速度接近半经验的方法,使得量化能处理的尺度扩展近一个数量级,AIMD也随之能容易地用于更多问题。DFTB还不行。
2 黑箱式、普适地、可靠地处理含较强静态相关的方法,而且对于M06-2X的强项体系精度又不亚于M06-2X,而且能轻易算几十个乃至百余个原子体系。虽然Hyper-GGA的目的是这个,但是貌似搞了一阵子也没多大成果。虽然MCSCF专门对付强静态相关,但是黑箱程度太差,体系一大也玩不转了。
3 计算量和TDDFT相仿佛,但是能同时算好各种体系激发能、超极化率的方法,不那么经验性地依赖于泛函的选择。w调控虽然有用,但毕竟还得先对各种体系拟合一下,略麻烦
4 轻易做几百原子的TDDFT计算。sTDA有希望
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 楼主 Author| 发表于 Post on 2017-2-13 15:44:05 | 只看该作者 Only view this author
遗忘爱神 发表于 2017-2-13 10:35
是否跟计算机计算能力的瓶颈到来有关?

不仅是计算机的瓶颈,理论发展也遇到了瓶颈。现在已经开始各种盲目化了,也体现在极端地去做各种参数化。
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发表于 Post on 2017-2-13 16:26:51 | 只看该作者 Only view this author
本帖最后由 卡开发发 于 2017-2-13 16:31 编辑
helpme 发表于 2017-2-13 14:19
可能是我不了解,感觉周期性体系的第一性原理进展更慢啊。
感觉杂化泛函都还不十分普及,因为速度慢。
对 ...

平面波和数值轨道计算的优化的工作其实做的不是很透彻,计算Hartree-Fock项这两种基组的效率很低,远远落后于GTO,算个能带就跟要老命一样。但实际使用GTO的程序如CP2K和Crystal也并非被广泛应用,肯定有一些特别的因素。另外,针对固体性质专门优化的杂化泛函能数得出了的也没有几个。

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日常打哑谜&&探寻更多可能。
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发表于 Post on 2017-2-13 21:00:32 | 只看该作者 Only view this author
方法都差不多了,现在就是向高精度/大体系发展

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发表于 Post on 2017-2-13 22:54:31 | 只看该作者 Only view this author
现在物理学界注意力放到了机器学习上,对于泛函也有一些文章讨论机器学习的工作。感觉应该能打破目前的僵局,但是能走多远也不清楚

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2017-2-13 23:20:25 | 只看该作者 Only view this author
ikea1984 发表于 2017-2-13 22:54
现在物理学界注意力放到了机器学习上,对于泛函也有一些文章讨论机器学习的工作。感觉应该能打破目前的僵局 ...


归根结底还是参数化,如果理解为参数化是给理论方法增加血肉的话,那么理论方法的骨架(物理意义层面上)如果不理想,那很快就会遇到瓶颈。之前也有机器学习搞泛函参数的,这么来搞,物理意义只会越来越歪曲,越来越走偏。不引入参数是困难的,毕竟理论方法形式只是近似的,不拟合一些参数的话性价比太低,但是引入过多,就迷失在参数化之中了。
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