第5部 計算物性物理のソフトウェア 物性物理におけるシミュレーション手法 • Hartree-Fock法 • 密度汎関数法 (density functional theory) • 経験的なパラメタを含まない:「第一原理計算」 • 相関・ゆらぎが強い場合には破綻 • モデル計算 • 有効模型(ハイゼンベルグ模型など)に対する計算手法 • 相関・ゆらぎの効果を正確に取り入れた大規模計算が可能:「第一原理的」 • 数値対角化(厳密対角化) (ED) • 古典モンテカルロ法 (MC) • 量子モンテカルロ法 (QMC) • 分子動力学法 (MD) • 密度行列くりこみ群 (DMRG) • 動的平均場近似 (DMFT) ソフトウェアの開発と普及 • 世の中には物性物理のための様々なパッケージソフトウェアが存在する • 有償:Gaussian、VASP、WIEN2k、、 • 無償:GAMESS、Quantum ESPRESSO、ABINIT、Amber、Gromacs、ALPS、、 • 日本国内でも数多くの高性能なソフトが開発・公開されている • 小さなグループでこつこつと開発しているソフトが多い • 知名度は高くない • ドキュメント、宣伝、ユーザインタフェース、ユーザサポートなどの問題 • 開発者から見ると • ソフトを開発・公開しただけでは成果にならない (職がない) • ドキュメント作成やユーザサポートには時間も手間もかかる • 海外の大規模なソフトに対抗するのはしんどい 物質科学シミュレーションのポータルサイト http://ma.cms-initiative.jp/ MateriApps MateriApps — 物質科学シミュレーションのポータルサイト • 公開ソフトウェア(アプリケーション)を核としたコミュニティー形成をめざして 計算科学の 専門家 やツールを紹介 実験結果の解釈、 物質のモデリングに利用 使い勝手のよさ、 機能の豊富さを 重視。品質の保証とサポート 体制も重視 実験家、企業 研究者 新 プログラムの検証、 ベンチマーク、開発基盤として利用 性能の良いもの、開発基盤として 優れているものを選択 • 100以上の物質科学アプリケーション た グ リ、バ ブラ ライ な 公開ソフトウェア 展 MateriApps,2013-2014. All rights reserved. 発 コードの開発、 ドキュメントの整備、利用者支援 より良いプログラムの開発、 開発したアルゴリズムやプログラムが 分野内外から評価されることが重要 の プロ グラム開 発 者 能 の 改 善 要 望 究 へ の 発 展 共 ザ 同 イ 研 ン 究 タ へ の フ 発 展 イ ス ・ 機 開発 プロ ジ ェ クト へ 研 同 。共 供 提 ドの コー 新規 ユ 提 供。共 同 研 究、共 同 理論研究者 情報の 新規理論・計算法の検証 精度の高いもの、新機能拡張が 容易なプログラムを選択 • 「やりたいこと」からアプリケーショ ンを検索 • 検索タグ:対象の物質・模型、計算 手法・アルゴリズム、知りたい物理 量・物理現象 • 開発者の声を利用者に届ける • アプリ紹介、開発者ページ、アプリ の魅力・将来性・応用性 • フォーラム(掲示板)を利用した意見交換 • 講習会情報・web講習会・更新情報 物質科学アプリの現状と課題 — 開発者サイドから • アルゴリズム(計算手法)自体も重要な研究成果。しかし、アルゴリズムは実装され て使われないと埋もれて忘れられる • 「インハウスコード」は大学院生が卒業・就職すると、 誰も中身が分からなくなり、メンテナンスされなくなる • 汚いコードは他人に見せたくない? • アイデアが盗まれるかも? • ドキュメント作成やユーザサポートには時間も手間もかかる • ソフトを開発・公開しただけでは成果となりにくい • せっかく「すごいの」「おもしろいの」を作ったのでみんなに見てもらいたい MateriApps,2013-2014. All rights reserved. 物質科学アプリの現状と課題 — 利用者サイドから • 「人的・時間的コスト」と「規模・機能・精度・速度」のトレードオフ • どのようなアプリが, どこで作られているのかわからない • どのアプリを使えばよいのかよくわからない • 情報(マニュアル)が不足, 使い方もよくわからない • 結果が正しいのか不安, 結果をどのように解釈する? • MateriApps の目標 • 計算物質科学が新しい研究・新しい分野の開拓に貢献するために • アプリ情報の集約 • アプリ公開のサポート • アプリ利用のサポート • アプリの見える化、開発者の見える化を通じて、人と人をつなぐ MateriApps,2013-2014. All rights reserved. CMSI のアプリ利用サポート • アプリを探す • MateriApps (検索・アプリ情報) • アプリを学ぶ • CMSIハンズオン, web講習会, 配信動画 • アプリを試す • MateriApps LIVE! • アプリのプリインストール • アプリを使う • CMSI 計算資源 (物性研・分子研・金研) • MateriApps フォーラム(掲示板) MateriApps,2013-2014. All rights reserved. MateriApps LIVE! • USBメモリから直接ブートできる Linux システム (Debian Live Linux) • Windows、Mac などで利用可 • インストール作業なしで物質科学アプリを実行できる • バージョン1.3公開中 • MateriAppsで紹介している公開アプリ・ツールを収録 • 2014年9月1日現在:ABINIT, AkaiKKR, ALPS, CP2K, Feram ,ERmod, GAMESS, Gromacs、 OpenMX, Quantum Espresso, xTAPP • 近日追加予定:SMASH, fu • MateriApps LIVE! サイトからダウンロード可能 • 学会・アプリ講習会などでも配布 MateriApps,2013-2014. All rights reserved. MateriApps 掲載アプリケーション • 100以上の物質科学アプリケーションやツールを紹介 密度汎関数法 量子化学 分子動力学 格子模型 AkaiKKR☆ FMO☆ MODYLAS☆ ALPS☆ OpenMX☆ SMASH☆ Gromacs☆ DSQSS xTAPP☆ GAMESS☆ ERmod☆ BLOCK ABINIT☆ DC☆ MDACP DMRG++ ... ... ... ... 連続体シミュレーション データ解析 可視化 Octa ... phonopy☆ TAPIOCA☆ ANSYS Multiphysics CLUPAN☆ fu☆ ☆ MateriApps LIVE! 収録 ( 一部予定 ) アプリ MateriApps,2013-2014. All rights reserved. ALPSプロジェクト ALPS Project ALPS (Applications and Libraries for Physics Simulations) • 量子格子模型シミュレーションのためのライブラリ・アプリケーション群 • 量子格子模型とは? • 強相関量子系 (高温超伝導, 重い電子系, 量子磁性, etc) の有効模型 • ハバード模型, ハイゼンベルグ模型, 近藤格子模型, … ! J xy ! + − − + z H= (Si Sj + Si Sj ) + J Siz Sjz 2 ⟨i,j⟩ • 様々な種類のソルバーを用意 ⟨i,j⟩ • 厳密対角化, 古典モンテカルロ法, 量子モンテカルロ法, 密度行列くりこみ群(DMRG), 動的平均場近似 (DMFT) • 対象となる系や興味のある物理量・現象に応じて最適なソルバーを選択できる • 強相関量子系における多体相関の効果を正確に取り入れたシミュレーション • 相転移・臨界現象や量子系特有の相(量子液体, 超固体など)の解析に特に有効 The ALPS project ALPS = Algorithms and Libraries for Physics Simulations • International collaboration for developing open-source softwares for simulation of quantum lattice models, such as quantum spin systems, electron systems, etc • ALPS Libraries = collection of generic C++ libraries • ALPS Applications = collection of application packages using modern algorithms such as QMC, DMRG, ED, etc • ALPS Framework = environment for executing large-scale parallel simulations including XML schemas, tools, scheduler, etc Target audience • Experimental physicists • Use “canned codes” to model materials • Determine microscopic parameters by fitting experimental data to simulations • Theoretical physicists • Quick check of theoretical ideas using many modern algorithms • Monte Carlo, Diagonalization, DMRG, ... • Also useful for debugging • Libraries simplify and accelerate code development ALPS libraries and applications tools applications domain-specific libraries numerics XML manipulation GUI database MC QMC ED DMRG lattice model observables scheduler random ublas iterative eigenvalue solver Boost library generic C++ C / Fortran graph serialization XML/XSLT BLAS LAPACK MPI ALPS Lattice XML periodic chain with length L <LATTICE name="chain lattice" dimension="1"> <BASIS><VECTOR> 1 </VECTOR></BASIS> </LATTICE> <UNITCELL name="simple1d" dimension="1" vertices=”1”> <EDGE> <SOURCE vertex="1" offset="0"/><TARGET vertex="1" offset="1"/> </EDGE> </UNITCELL> <LATTICEGRAPH name = "chain lattice"> <FINITELATTICE> <LATTICE ref="chain lattice"/> <PARAMETER name=”L”/> <EXTENT size ="L"/> <BOUNDARY type="periodic"/> </FINITELATTICE> <UNITCELL ref="simple1d"/> </LATTICEGRAPH> Model XML for describing Hamiltonian XXZ spin model with two types of bonds (e.g. nearest and next nearest neighbor interactions) <HAMILTONIAN name=”spin”> <PARAMETER name=”Jz” default=”J”/> <PARAMETER name=”Jxy” default=”J”/> <PARAMETER name=”J” default=”1”/> <PARAMETER name=”Jz'” default=”J'”/> <PARAMETER name=”Jxy'” default=”J'”/> <PARAMETER name=”J'” default=”0”/> <PARAMETER name=”h” default=”0”/> <BASIS ref=”spin”/> <SITETERM site=”i”> -h * Sz(i) </SITETERM> <BONDTERM type=”0” source=”i” target=”j”> Jz * Sz(i) * Sz(j) + Jxy * (Splus(x)*Sminus(y)+Sminus(x)*Splus(y)) / 2 </BONDTERM> <BONDTERM type=”1” source=”i” target=”j”> Jz' * Sz(i) * Sz(j) + Jxy' * (Splus(x)*Sminus(y)+Sminus(x)*Splus(y)) / 2 </BONDTERM> </HAMILTONIAN> ! H= ⟨i,j⟩ ! J xy (Si+ Sj− + Si− Sj+ )] − [Jz Siz Sjz + hSiz 2 i Simulations with ALPS Lattice XML File square lattice Model XML File H = J < i,j > Parameter File LATTICE = "square lattice" MODEL = "spin" L = 16 Jxy = 1 Jz = 2 SWEEPS = 10000 THERMALIZATION = 1000 { { { { T T T T = = = = 0.1 0.2 0.5 1.0 } } } } parameter2xml tool <LATTICES> <LATTICE name="square lattice" dimension="2"> <PARAMETER name="a" default="1"/> <BASIS><VECTOR>a 0</VECTOR><VECTOR>0 a</VECTOR></BASIS> </LATTICE> <UNITCELL name="simple2d" dimension="2"> <VERTEX/> <EDGE> <SOURCE vertex="1" offset="0 0"/> <TARGET vertex="1" offset="0 1"/> </EDGE> <EDGE> <SOURCE vertex="1" offset="0 0"/> <TARGET vertex="1" offset="1 0"/> </EDGE> </UNITCELL> <LATTICEGRAPH name="square lattice"> <FINITELATTICE> <LATTICE ref="square lattice"/> (0,1) <EXTENT dimension="1" size="L"/> <EXTENT dimension="2" size="L"/> <BOUNDARY type="periodic"/> </FINITELATTICE> <UNITCELL ref="simple2d"/> (0,0) (1,0) </LATTICEGRAPH> </LATTICES> Parameter XML File application programs [ S iz S jz + ( S i+ S j- + S i- S j+ )/ 2 ] - h S iz <MODELS> <BASIS name="spin"> <SITEBASIS name="spin"> <PARAMETER name="local_S" default="1/2"/> <QUANTUMNUMBER name="S" min="local_S" max="local_S"/> <QUANTUMNUMBER name="Sz" min="-S" max="S"/> <OPERATOR name="Sz" matrixelement="Sz"/> <OPERATOR name="Splus" matrixelement="sqrt(S*(S+1)-Sz*(Sz+1))"> <CHANGE quantumnumber="Sz" change="1"/> </OPERATOR> <OPERATOR name="Sminus" matrixelement="sqrt(S*(S+1)-Sz*(Sz-1))"> <CHANGE quantumnumber="Sz" change="-1"/> </OPERATOR> </SITEBASIS> </BASIS> <HAMILTONIAN name="spin"> <PARAMETER name="J" default="1"/> <PARAMETER name="h" default="0"/> <BASIS ref="spin"/> <SITETERM> -h * Sz(i) </SITETERM> <BONDTERM source="i" target="j"> J * (Sz(i)*Sz(j) + (Splus(i)*Sminus(j)+Sminus(i)*Splus(j)))/2 </BONDTERM> </HAMILTONIAN> </MODELS> Quantum Lattice Model Quantum Monte Carlo Exact Diagonalization DMRG Python based evaluation tools Plots i Outputs in HDF5 & XML DMFT ALPSを利用した研究 • 500 以上の論文で ALPS が利用されている (論文タイトルの例 2014年7月以降) • Nonequilibrium dynamical cluster theory • Reliability evaluation of thermophysical properties from first-principles calculations • Phase diagram study of a dimerized spin-S zig–zag ladder • First order dynamical phase transitions • Magnetic transitions in the spin-5/2 frustrated magnet BiMn2PO6 and strong lattice softening in BiMn2PO6 and BiZn2PO6 below 200 K • GPU-based simulation of the long-range Potts model via parallel tempering • Quasi-two-dimensional S=1/2 magnetism of Cu[C6H2(COO)4][C2H5NH3]2 • Exploring unconventional Hubbard models with doubly-modulated lattice gases • The sign problem in full configuration interaction quantum Monte Carlo: Linear and sub-linear representation regimes for the exact wave function … http://alps.comp-phys.org/mediawiki/index.php/PapersTalks ALPS の利用環境 • 動作確認済みプラットフォーム • 一般のPCクラスタ, Mac OS X, Windowsで動作可能 • 京コンピュータ, 東大(FX10), 九大(FX10、Primergy), 京大(Cray), 神戸FOCUS, 物性研(システムB, システムC, psi, phi)にインストール済 • MateriApps LIVE! 収録 • ライセンス • “Cite me” ライセンス (GPL + α) • ホームページ • http://alps.comp-phys.org/ • MateriApps「ALPS」 ournal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment The ALPS project release 2.0: open source software for strongly correlated The ALPS project release 2.0: open systems source software for strongly correlated B Bauer1, L D Carr2, H G Evertz3, A Feiguin4, J Freire5, systems S Fuchs6 , L Gamper1, J Gukelberger1, E Gull7, S Guertler8, 1 9,10 1 5 1 A Hehn , R Igarashi , S V Isakov , D Koop , P N Ma , 11 3 4 lowski13 ,5 ,GOEvertz Parcollet , G Paw! P B Mates Bauer11,5 , ,L HD Matsuo Carr2, H , A12Feiguin , J Freire , 16 6 14 , L Pollet 1 1,15 , E Santos5 , 1V W Scarola 7 8 , JS D Picon Fuchs , L Gamper , J Gukelberger , E Gull , S Guertler , 1 ock17 , C Silva 9,10 5 , B Surer1 ,1S Todo10,11 5 , S Trebst 1 18 , U Schollw¨ A Hehn , R Igarashi , S V Isakov , D Koop , P N Ma , 1,21 19,20 13 L Wall112,, O P Parcollet Werner1 12 and Wessel M Troyer1,5 , ,HMMatsuo , G SPaw! lowski , P Mates 14 1,15 5 16 1JTheoretische , L Pollet , E 8093 Santos ,V W Scarola , D Picon Physik, ETH Zurich, Zurich, Switzerland 17 5 1 10,11 2 Department of Physics, Colorado School of Mines, Golden, CO USA18 , ,B Surer , S Todo , S80401, Trebst U Schollw¨ ock , C Silva 3 Institut f¨ 2 Technische Universit¨ 19,20Graz, ur1,21 Theoretische Physik, at Graz, A-8010 , M L Wall , P Werner1 and S Wessel M Troyer Austria 41 Department TheoretischeofPhysik, ETH 8093 Zurich, Switzerland Physics andZurich, Astronomy, University of Wyoming, Laramie, 2 Department of Physics, Colorado School of Mines, Golden, CO 80401, USA WY 82071, USA 3 Institut f¨ uComputing r Theoretische at of Graz, A-8010 Graz, 5 Scientific andPhysik, ImagingTechnische Institute, Universit¨ University Utah, J. Stat. Mech. P05001 (2011) J. Stat. Mech. (2011 J. Stat. Mech. (2 • ALPS を利用した場合には論文引用 J J ournal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment
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