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[综合交流] 2021年计算化学公社论坛“你最常用的计算化学程序和DFT泛函”投票结果统计

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发表于 Post on 2021-6-2 14:19:11 | 显示全部楼层 Show all |阅读模式 Reading model
2021年计算化学公社论坛“你最常用的计算化学程序和DFT泛函”投票结果统计

文/Sobereva@北京科音  2021-Jun-2


0 前言

2021年4月29号,在人气最高的计算化学专业论坛“计算化学公社”(http://bbs.keinsci.com)开展了为期一个月的四个投票:
你最常用的DFT泛函投票(http://bbs.keinsci.com/thread-22853-1-1.html
你最常用的量子化学程序投票(http://bbs.keinsci.com/thread-22854-1-1.html
你最常用的分子动力学程序投票(http://bbs.keinsci.com/thread-22855-1-1.html
你最常用的第一性原理程序投票(http://bbs.keinsci.com/thread-22856-1-1.html

现对投票结果进行总结和评论。未来预计每三年重新开展一次投票。要强调的是,这个投票只是体现流行程度,和方法/程序的好坏并没必然关系。


1 你最常用的DFT泛函投票

本次可投的泛函有31种,双杂化泛函不包括在内,明显几乎不会有人用的泛函也没纳入可投范围。投票范畴仅限量子化学计算,不包含第一性原理计算。关系特别近的,比如M05-2X和M06-2X、wB97X和wB97XD当做同一个泛函来计。此次投票者共712人,比2018年投票人数299增加了很多,体现出计算化学公社论坛的影响力日益增强。本投票每个人最多选6项,且所投的泛函必须占平时全部研究工作的10%以上,带不带DFT-D校正算同一个泛函。按照得票率(票数除以总投票人数)绘制的图如下,为便于对比2018年的结果也一起绘制了。此图中诸如某泛函对应60%就代表有60%的人平时较多使用此泛函,后文的统计图同理。

1.png

从结果来看,经历了27年,B3LYP还是目前流行程度最高的泛函,而且加上DFT-D校正之后又给其续命了。估计在接下来的10年内,虽然其流行度No.1的地位也许不保,但至少还会是用得最多的泛函之一。虽然B3LYP算能量问题已经落伍了,如今用这泛函算能量很容易挨审稿人批,见比如《坚持使用B3LYP算有机体系的人的下场》(http://bbs.keinsci.com/thread-12773-1-1.html),但优化、振动分析方面B3LYP的地位相当稳固,多数情况都能用,而且结果不错速度又快,这点在《谈谈量子化学研究中什么时候用B3LYP泛函优化几何结构是适当的》(http://sobereva.com/557)里专门说了。

M06-2X与B3LYP的得票率比例和2018年一样依然是6:10,真是挺巧的。M06-2X的流行程度顶多也就稳定在这个程度了,不会再上涨了。虽然M06-2X算有机问题、弱相互作用能量问题方面比B3LYP都强得多得多,并且明白这些问题的人越来越多,理应相对于B3LYP的得票率会进一步上升,但M06-2X有耗时高、容易出小虚频、容易收敛困难这些小问题,而且DFT-D3又令B3LYP在优化弱相互作用体系方面不落下风,而且比M06-2X算各种体系能量问题精度都更好的wB97M-V使用人数又逐渐增多,因此M06-2X的流行程度到现在这个程度基本算是达到瓶颈了。

PBE0、wB97X/X-D的得票率比2018年有所上涨,这有点令我意外,虽然有一些巧合因素,但也可能有一些必然因素。比如在我不少博文,以及计算化学公社论坛上不少帖子里,都提到PBE0-D3(BJ)算过渡金属配合物、算局域激发态是很好的选择,这有可能对PBE0的得票率上升有不可忽视的贡献。

2016年提出的wB97M-V在2018年的时候还不怎么为人所知,当时没有留给它选项。这次投票可见wB97M-V已经明显展露头角了,这有很多原因:在《简谈量子化学计算中DFT泛函的选择》(http://sobereva.com/272)以及计算化学公社论坛上不少讨论中都已经推荐了wB97M-V,在免费而且流行度日益上升的ORCA中已支持了wB97M-V,而且近年来不断有各种benchmark文章表明wB97M-V算能量的精度在普通泛函里是几乎最顶尖的。估计再过3年,wB97M-V的得票率比现在能上升一倍左右。

M06、M06L的得票率如今比2018低了不少。这也是因为这俩泛函在如今看来没什么用,它们在后来的许多benchmark文章里(哪怕是专门测过渡金属配合物体系的)表现得都很平庸,M06能用的情况用MN15几乎都是更好的选择,而必须用M06L这样纯泛函的时候(如静态相关很强的情况),也不如用改用更新的MN15L。

BLYP得票率降了很多,确实这如今也用处不大。在ORCA里为了计算快而用纯泛函的话,基本上我都推荐用B97-3c。

MN15得票率和2018年相比几乎没变,主要也是这泛函显得有点中庸,用户对它的刚性需求不多。

B3PW91、LC-wPBE、mPW1PW91、HSE06得票率比2018年显著降低,完全失势了,它们在量化计算里如今基本也都没多大用处,只要用户清醒地知道什么时候用什么泛函最恰当,这些泛函几乎在任何研究中都不会用到(也有一些例外情况,比如《使用Multiwfn预测晶体密度、蒸发焓、沸点、溶解自由能等性质》http://sobereva.com/337里提到的Politzer等人拟合的预测公式里的静电势描述符是基于B3PW91算的)。BP86下降不少其实有点可惜,这老东西其实在计算过渡金属体系方面还是挺有用的,比较鲁棒。B97(-1/2/3)得票率有所上涨,一定程度上可能是因为每次北京科音量子化学培训班的时候、网上答疑的时候我都建议用B97-2算NMR所致。

其它泛函就没什么好评价的了,基本上2018年没人用的泛函到现在还是没人用。有些很少有人用的泛函,比如SCAN、TPSSh其实都是有用武之地的,但用户基本都被其它更流行、表现也不错的泛函吸走了。

有一个泛函极度悲催,2018年就是唯一0票的,到2021年还是唯一0票的,它 就 是:APFD!3年前我就说,不好的泛函怎么打广告都没用,纵使某本书第三版通篇都用APFD(并由此给初学者一种错觉APFD是应当默认使用的),而且这书中文版也早已上市,但终究APFD还是完全不被接受。其实这么冷门的泛函在本次投票中理应不给其留出选项的,但我就想看看到底有没有哪怕一个初学者用了APFD,结果令我欣慰。


2 你最常用的量子化学程序投票

可投程序有28种,投票者共642人,显著超过2018年的233人。本投票每个人最多选三项,且所投的程序必须占平时全部研究工作的10%以上。按照得票率绘制的图如下

2.png

可见Gaussian依然是老大的位置,得票率稳居>90%。ORCA的用户数提升幅度很大,这来自于近些年ORCA的迅速的发展、在计算化学公社论坛和思想家公社QQ群里口耳相传。笔者近年也写了不少ORCA相关的博文(见http://sobereva.com/category/ORCA/),对于在国内普及ORCA起到了一定推动作用。虽然Gaussian的流行程度的地位在10年内难以动摇,ORCA若想充分代替Gaussian路还长得很,但明显ORCA对Gaussian的威胁与日俱增。

xtb的用户数是3年前的10倍有余!这是用户数增速最快的程序。xtb支持的GFN-xTB对于粗略优化、跑要求不高的动力学、结合Molclus做构象搜索(见比如《使用Molclus结合xtb做的动力学模拟对瑞德西韦(Remdesivir)做构象搜索》http://bbs.keinsci.com/thread-16255-1-1.html)颇为有用,速度又快结果通常也定性合理,实用性颇高,在论坛和群里也经常有人讨论xtb,因此其用户数猛增是理所应当的,但增速实在是比我想象得更快。老师傅MOPAC有种要被xtb乱拳打死的感觉。

Dmol3和ADF用户数猛跌!大势已去!我作出上面的统计图的时候,看到其流行度和3年前相差如此悬殊,我甚至噗~地喷出来。看来量子化学领域的用户明显逐渐趋于理性;如今信息越来越透明,计算化学公社论坛高质量的文章和讨论也在选择量子化学程序方面上起到了正确的导向,再加上免费的ORCA被越来越多的人认识,这都使得研究者们不再那么容易被又贵又*的程序所忽悠。Dmol3贼贵不说,程序还特弱,而且越来越显得过时,比如到现在还不支持10年前就有的DFT-D3(这年头基本没有主流程序不支持这个),Dmol3用户若发弱相互作用问题的文章只得尴尬地用DFT-D2,不被内行审稿人歧视才怪。如今在量子化学较高水平的交流群里,提问者一说要用Dmol3算xxx,大概率会被用异样眼光看待,通常要么没人理,或者被劝改用ORCA。对Dmol3还抱有幻想的初学者建议看看http://sobereva.com/508。至于ADF,之前我在http://sobereva.com/489里已经评述过,它相对于ORCA而言对于一般的研究真是没什么使用价值,还按年收费卖得老贵,2018年投票的时候其得票率明显高于其实用价值,今年的投票算是彻底打回原形了。

GAMESS-US越来越让人觉得有点老古董了,发展慢,使用又麻烦。大多数国内的人用GAMESS-US基本都是冲着LMOEDA去的(从计算化学公社论坛的量子化学版的GAMESS-US分类的帖子里可见一斑)。由于卖点太少,使用门槛高,相关学习资源少,再加上ORCA来势汹汹,GAMESS-US流行度不断下降不难理解。

Molpro和阿Q流行度小降,也是对于大多数人缺乏刚性使用必要,又有其它程序的威胁所致。阿Q购买必要真是不大,以前泛函支持得多,特别是支持wB97M-V之类Gaussian没有的泛函还算是对一般应用性研究用户有价值的卖点,而如今ORCA不仅也支持了,而且挂着libxc还可以用各种泛函,折去了Q-Chem一个卖点(之前Q-Chem的TDDFT二阶解析导数的卖点就被G16折去了)。虽然阿Q乱七八糟功能支持丰富,但那些功能大多过于偏学术,而且又缺乏教程来推广,在大宗性研究中很少有机会用到。Q-Chem还有些相对有用的功能如今在ORCA、PSI4等其它免费程序里也都有替代品。Molpro的日子也不好过,MCSCF、多参考方法方面的老对手Molcas如今有了免费版OpenMolcas,这是挺致命的,而且ORCA这方面功能做得也越来越完善,以后Molpro的流行度可能还要降,更不好卖了。

PSI4用户上涨不少,一方面是PSI4近年来发展很快,另一方面和这个博文可能也有不小关系:《使用PSI4做对称匹配微扰理论(SAPT)能量分解计算》(http://sobereva.com/526)。估计目前国内用PSI4大多数都是冲着SAPT去的。

其它程序用户都很少。其中NWChem很惨,3年前流行度还能排个中游,如今流行度暴跌,没什么人用了。也的确对于普通应用性研究者来说,这个程序如今使用必要性很低,发展慢,也受到ORCA的严重挤压。

TeraChem是今年新加入投票的,只有惨淡的1票。这程序卖点是GPU加速,但这程序功能很少,卖得也不便宜,而且如今挖矿闹得GPU价格暴涨,TeraChem相对于用其它程序靠CPU计算(尤其是ORCA里开RI)来说真是没什么明显好处了。


3 你最常用的分子动力学程序投票

共有397人参与了“你最常用的分子动力学程序投票”,共有19个程序可投,都是基于经典力场的分子动力学程序。每个用户可以投3个,并且要求平时使用几率超过10%。结果如下

3.png

GROMACS用户数远超任何其它程序,其它动力学程序用户数目的总和才差不多等于GROMACS,这和我预期的完全一致。Tinker的用户数远低于我的预计,这也是个挺知名的程序,但在国内实在不人气。我不知道为啥有人会用HyperChem做动力学,这速度也太慢了,功能也太弱了,还收费,而且这个程序都已经停止开发很多年了。


4 你最常用的第一性原理程序投票

共有442人参与了“你最常用的第一性原理程序投票”的投票,共有26个程序可投,每个用户可以投3个,并且要求平时使用几率超过10%。结果如下

4.png

VASP流行度排第一,这个没有什么悬念,但远达不到Gaussian那样在量化领域里有无法撼动的地位。稍微出乎我意料的是这次摸底调查中体系出CP2K和Quantum ESPRESSO的用户数其实很多,比我想象中的多多了,这是令我比较欣慰的。我很希望看到有越来越多的人使用这样又强大又免费的程序代替卖得越来越贵的VASP。

CP2K能排到第二真是令我很意外,因为从这个程序原文的引用次数来看,比Quantum ESPRESSO要少得多得多,占VASP用户数可能也就是个零头。投CP2K的人这次这么多,一方面是CP2K用户群体确实增长较快,也略微有一定可能是因为今年Multiwfn支持了创建CP2K输入文件的功能(见《使用Multiwfn非常便利地创建CP2K程序的输入文件》http://sobereva.com/587),一下子把CP2K输入文件编写门槛极大地降低,并导致一些之前做量化而不做第一性原理计算的人开始尝试着使用CP2K算点东西了。CP2K这个大杀器以后必会被越来越多的人青睐,越来越流行,前途光明。也同时祝愿Quantum ESPRESSO的用户数与VASP的差距能越来越小。相比红红火火的CP2K,从投票结果看历史更久的CPMD几乎已经算是凉了,近年来也都不怎么发展了,快要退出历史舞台。

Abinit的用户数真是少得可怜,远低于我的预期,以这个免费又功能丰富的程序的体量来看用户数理应不该这么少。CASTEP和Dmol3目前虽然还有一些市场,但我估计过三年再次投票的话,得票率肯定会降低。Dmol3很多人用是为了图快,但把CP2K用好的话,多数情况下真没必要花大把银子买Dmol3。

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发表于 Post on 2021-6-2 16:48:10 | 显示全部楼层 Show all
BLYP在第一性原理里也还行吧

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发表于 Post on 2021-6-2 23:17:12 | 显示全部楼层 Show all
I'm using acemd for molecular dynamic simulation for the first time and I can say is quite fast, at least significantly faster than amber (at least than amber18), I'm not an expert in gromacs but in the future I will compare this two.

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喵星人

发表于 Post on 2021-6-3 02:01:01 | 显示全部楼层 Show all
本帖最后由 喵星大佬 于 2021-6-3 09:24 编辑

GAMESS里面还有Spin-Flip,不过没阿Q里的靠谱,LMO-EDA也没阿Q里新的(也不算新了,文章都是17年的了)ALMO-EDA/NOCV合理(貌似还可以搞激基复合物),而且SCF收敛简直一言难尽,还有溶剂模型也是个神坑,可能就MC-PDFT算是个独特功能了吧还是新加的没体验过(貌似OpenMolcas里也有),至少从CASSCF看用起来比XX好不到哪里去,倒是GVB这个几乎被遗忘的东西被MOKIT翻了出来还搞出了花样有点出乎意料(给zjx大佬点赞)。
阿Q主要是集合了一大堆各种乱七八糟用的很少的方法和几个还算比较实用的特色功能(有的也不是独一无二),常规功能又达不到XX的方便可靠程度然后卖的一样贵,略鸡肋,教程是真的烂,那些正儿八经厉害的功能手册里写的莫名其妙。
Dalton的CASSCF速度和收敛性似乎都还可以,就是输入文件不像正常人会去用的东西。。。。。再就是其实OpenMolcas想威胁Molpro还是差了点意思,多参考来说Orca想威胁这两个也还有点远,可能就是不怎么做多参考的研究者稍微客串一下吧我猜用DMol3做量化的里面有些可能是正常做第一性的客串一下就顺带用了。至于Abinit的问题。。。。我也没想明白,那么炫酷的主页真的没人想去体验一下嘛。。。。
生物分子模拟四大家现在已经明显拉开了,相邻的两个都有3倍左右差距。。。。NAMD和charmm衰落的速度相当快,就算把ds和charmm算一起都没多少了。GENESIS这玩意貌似如果不在他们的富岳(以前的京)超算上并不能满血发挥,而且估计知道这玩意的人也没几个(可能还是通过16年的那篇elife)。

至于挖矿闹得GPU价格暴涨。。。。不只是GPU,现在各种类型的硬件价格涨幅都在50%-150%左右,买啥都很坑爹。

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发表于 Post on 2021-6-3 03:14:33 | 显示全部楼层 Show all
wuzhiyi 发表于 2021-6-2 16:48
BLYP在第一性原理里也还行吧

用的比PBE少多了

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发表于 Post on 2021-6-4 16:06:25 | 显示全部楼层 Show all
喵星大佬 发表于 2021-6-3 02:01
GAMESS里面还有Spin-Flip,不过没阿Q里的靠谱,LMO-EDA也没阿Q里新的(也不算新了,文章都是17年的了)ALMO-E ...

MC-PDFT用OpenMolcas好得很,谁还用gamess

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从头算界孔乙己

发表于 Post on 2021-6-4 16:53:58 | 显示全部楼层 Show all
本帖最后由 卡开发发 于 2021-6-4 19:38 编辑
喵星大佬 发表于 2021-6-3 02:01
GAMESS里面还有Spin-Flip,不过没阿Q里的靠谱,LMO-EDA也没阿Q里新的(也不算新了,文章都是17年的了)ALMO-E ...

Abinit说白了还是没人摸索没人推广,有些功能应该还是比较有意思的。论赝势精度,JTH-PAW的可靠性理论上说也不错。至于DMol3,我个人实测情况200+原子的金刚石截取团簇氢饱和后我们这边12核心的小服务器同样跑BLYP/DZ基组速度可以吊打ORCA,再加上算法和晶格尺寸几乎无关,对于特定体系会比较有帮助,虽然功能偏弱,但还是应该客观评价。
近期不及时回复。欢迎无偏见非商业的学术讨论,但是看家本领和课题组的传统艺能别人会毫无保留告诉你?

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发表于 Post on 2021-6-4 18:34:16 | 显示全部楼层 Show all
本帖最后由 喵星大佬 于 2021-6-4 18:42 编辑
卡开发发 发表于 2021-6-4 16:53
Abinit说白了还是没人摸索没人推广,有些功能应该还是比较有意思的。论赝势精度,JTH-PAW的可靠性理论上 ...

尝试用Abinit就是那主页做的还不错,放了一堆炫酷的图。
这个CPMD真是个坑货,每次跟申请了我说两个星期回复,然后前后3,4次都过了两个月了还没回我然后我就不再想试着玩玩这个了
DMol3主要是找过渡态确实很不靠谱(分子体系),当然这是跟高斯比,orca实际上也好不到哪里去,过渡态找的吐血

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从头算界孔乙己

发表于 Post on 2021-6-4 19:36:06 | 显示全部楼层 Show all
喵星大佬 发表于 2021-6-4 18:34
尝试用Abinit就是那主页做的还不错,放了一堆炫酷的图。
这个CPMD真是个坑货,每次跟申请了我说两个星期 ...

Abinit主要还是有些神奇的功能,不过比较小众。DMol3过渡态如果用Search的方法只适合生成个初猜,不建议用严格标准去搜索,TS opt用hessian+EF基本上还能凑合。ORCA过渡态倒是没用过。
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发表于 Post on 2021-6-4 20:33:31 | 显示全部楼层 Show all
卡开发发 发表于 2021-6-4 19:36
Abinit主要还是有些神奇的功能,不过比较小众。DMol3过渡态如果用Search的方法只适合生成个初猜,不建议 ...

话说有哪些神奇的功能哇,还没玩过呢。Dmol的TS opt用EF方法,经常会越优化虚频越多或者直接虚频没了然后报错。。。。。跟XX差了真不是一点半点。。。。。orca算hessian其实也是很慢,还容易有小虚频,把积分格点设置到和XX默认差不多的时候有RI也没有快多少(杂化泛函),而且感觉会数值不太稳定

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发表于 Post on 2021-6-4 20:40:04 | 显示全部楼层 Show all
喵星大佬 发表于 2021-6-4 13:33
话说有哪些神奇的功能哇,还没玩过呢。Dmol的TS opt用EF方法,经常会越优化虚频越多或者直接虚频没了然后 ...

orca 5.0的Hessian会好很多,不管是速度方面还是数值误差方面都是
BDF(https://bdf-manual.readthedocs.io/zh_CN/latest/Introduction.html)、ORCA(https://orcaforum.kofo.mpg.de/index.php)开发团队成员

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从头算界孔乙己

发表于 Post on 2021-6-4 20:40:40 | 显示全部楼层 Show all
喵星大佬 发表于 2021-6-4 20:33
话说有哪些神奇的功能哇,还没玩过呢。Dmol的TS opt用EF方法,经常会越优化虚频越多或者直接虚频没了然后 ...

我印象Abinit这玩意好像能做DMFT,再比如cRPA做Hubbard U可能也是少数最先支持的程序。比XX肯定还是要差的,不过越优化虚频越多我没遇到过,一般能通过调整最大步长等手段避免一些爆炸的问题。格点和XX一样确实未必快很多,我私下也做过一点测试,不过没有专门去记录这些数据,另外和朋友讨论下来COSX也比较容易引入噪声。
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发表于 Post on 2021-6-4 20:58:38 | 显示全部楼层 Show all
本帖最后由 喵星大佬 于 2021-6-4 22:02 编辑
卡开发发 发表于 2021-6-4 20:40
我印象Abinit这玩意好像能做DMFT,再比如cRPA做Hubbard U可能也是少数最先支持的程序。比XX肯定还是要差 ...

DMFT这玩意还就真只是听过
有空写点Abinit的基础教程,虽说玩的也不咋样就是了,而且最近太忙了

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发表于 Post on 2021-6-4 20:59:05 | 显示全部楼层 Show all
wzkchem5 发表于 2021-6-4 20:40
orca 5.0的Hessian会好很多,不管是速度方面还是数值误差方面都是

期待5.0出来

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发表于 Post on 2021-6-4 21:54:10 | 显示全部楼层 Show all
卡开发发 发表于 2021-6-4 13:40
我印象Abinit这玩意好像能做DMFT,再比如cRPA做Hubbard U可能也是少数最先支持的程序。比XX肯定还是要差 ...

orca 5.0的COSX噪声问题会好很多,orca 5.0的默认COSX格点比4.2大一些(忘了是大30%还是大一倍),是用机器学习的方法优化的,计算时间与4.2差不多,数值误差比4.2小整整一个数量级

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