一种二分量第一性原理计算系统与服务方法

本发明涉及基于网页的二分量第一性原理计算，尤其涉及一种二分量第一性原理计算系统与服务方法。

背景技术：

1、根根据原子核和电子相互作用的原理及其基本运动规律，运用量子力学原理，从具体要求出发，经过一些近似处理后直接求解薛定谔方程的算法，习惯上称为第一性原理。

2、一般提到第一性原理计算时，默认是指基于量子力学原理对分子及材料中的电子分量做计算模拟，其通常被用于研究材料性质、密度泛函理论、电子结构等领域。这类系统能够计算原子间相互作用力、能量、电子结构、声子谱等物理性质，并通过原子坐标、元素种类、近似方法与计算目标等输入参数配置，输出能带图、密度分布等结果。

3、现有第一性原理计算系统的原生界面设计类型有以下几种：

4、1）命令行界面（command line interface, cli）：命令行界面是最传统的界面形式，用户需要通过输入指定的命令来执行计算任务，即用户通过命令行输入并修改输入文件，然后使用命令来运行计算。这种界面使用起来较为灵活，但需要用户具备一定的编程和命令行操作的能力。常见的第一性原理计算系统如vasp、quantum espresso等采用命令行界面。但是，这类界面难以上手，初学者需要花费较多时间用于提交计算所需的技术知识，包括并不限于命令行操作系统下的文件或文件夹编辑操作、提交作业所需的调度系统使用方法等等。即使是经验丰富的人员依然需要花费较多时间用于启动计算的过程。

5、2）图形用户界面（graphical user interface, gui）：图形用户界面是一种以图形化方式展示计算系统功能的界面设计形式。用户通过点击、拖动等可视化操作来修改和输入计算参数，并通过图形化界面执行计算任务。这种界面设计更加直观、易于上手，适合不具备编程和命令行操作能力的用户。例如，materials studio、quantumatk等系统提供了gui界面。但是该类计算系统，经常只能在单机下直接运行计算，与大型的超算集群的配合不够紧密与方便，即便系统支持连接远程计算集群来提交作业，也需要远程部署独立的后台守护进程用于间接地提交作业。此外，因为一般的量化计算系统通常具有复杂的功能需求，为覆盖这部分参数配置需求，这类计算界面基本提供了繁多的操作按键，对一大部分仅需要单一目标计算的初学者制造了较高的操作门槛。

6、3）web界面：一些第一性原理计算系统（如wien2k）提供了基于web的界面，用户可通过浏览器访问并使用系统。这种界面形式不需要用户安装额外的系统，只需通过网络即可访问和操作计算工具。web界面通常有一定的文件上传下载等功能，但是基本需要上传或在页面编写全部的输入参数配置信息，只是利用网页与鼠标简化了命令行界面下的操作。

7、可知，以上第一性原理计算系统的原生界面均无法深度集成作业调度系统，也无法减少用户启动计算所需的操作过程。为此，一部分超算中心的用户门户系统为vasp等系统提供了作业提交web界面，简化了作业提交过程，但它们均为了兼顾单分量计算中的全面功能，无法提供简洁且完整的计算输入配置界面，使得二分量计算的过程过于复杂。

8、此外，现有技术公开关于二分量第一性原理计算中，不仅需要基于量子力学原理模拟和计算材料中的电子分量，还需计算注入或产生于材料中的其他粒子（例如正电子或缪子等）。故此类计算需要交替计算电子结构与第二个粒子的结构，计算流程复杂，难以被初学者掌握。同时，前后两个过程中所计算的粒子数量差距很大，两者一般具有不同的计算资源需求，当前的二分量计算系统统一采用同一个作业的计算资源池，增加了计算资源浪费。

9、在以上计算界面与目前的资源调度下，针对两种分量a与b进行交替迭代计算时，因为两种计算的a分量与b分量的粒子数差异较大，两个计算所需的高效率资源数也不相同，假定a分量计算时所需计算资源数resourcea较多，b分量计算时所需计算资源数resourceb较少，此时在进行b分量计算时，会存在resourcea-resourceb数量的资源被闲置的情况。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种二分量第一性原理计算系统与服务方法，针对二分量第一性原理计算的特点，大大缩减了计算电子分量时所需的输入配置步骤，针对性的设计了完整且简洁的计算输入配置与作业提交配置界面，可在界面内完成所有二分量第一性原理计算所需的配置步骤，结合后台作业提交与计算展示模块，形成了一套完整的二分量计算系统与服务方法。使得当前更难以操作的二分量计算可比当前单分量计算更易进行操作，且可减少其中的资源浪费。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种二分量第一性原理计算系统，包括运行有web界面的管理组件，web界面包括用户计算输入模块、展示模块以及作业提交模块；

3、用户计算输入模块，用于用户输入选择；

4、展示模块，用于展示输入的原子结构、输出的二分量计算结果以及计算时间；

5、作业提交模块，用于提交作业；

6、后台资源调度优化组件，用于提升计算资源的利用效率

7、web界面被配置为：

8、用户经用户计算输入模块输入多种格式的原子结构，并在展示模块展示相应的3d结构图；

9、允许用户在3d结构图中选择至少一个原子，进行删除、元素替换或位移操作，操作过程中和操作完成后分别保存为新的原子结构。

10、优选的，web界面还被配置为：在赝势文件在超算系统中已经自带时，针对每一个保存的原子结构，分别要求用户指定其中各个元素的赝势文件路径；或根据名字选择超算系统自带的赝势文件；或者上传在计算时使用的赝势文件；或允许用户选择计算系统自带的默认赝势；

11、允许用户填写k点配置参数，其中根据原子结构大小提供建议值或默认值，供用户选择；

12、允许用户填写能量截断ecut参数，其中根据赝势类型提供建议值，供用户选择；

13、允许用户填写smearing参数，其中根据体系类型提供建议值，供用户选择；

14、允许用户填写自旋极化参数，其中根据原子结构与元素类型提供建议值，供用户选择；

15、允许用户配置两种分量计算中各自允许的最大迭代步数，并根据历史作业提供经验默认值，供用户选择；

16、允许用户选择电子迭代时的密度混合比例，其中根据计算提供建议值，供用户选择；

17、允许用户选择二分量计算时采用的两种粒子的关联近似模型方法，并提供建议值，供用户选择。

18、优选的，原子结构的格式包括cif、vasp poscar、xyz。

19、优选的，本发明还包括用于提升计算资源的利用效率的后台资源调度优化组件；

20、后台资源调度优化组件包括：

21、计算时间提取模块，用于在资源需求较多的a分量和资源需求较少的b分量交替计算完成至少一个周期后，分别计算两种分量的计算耗费时间timea与timeb；

22、空闲资源提取模块，用于在完成计算时间提取后，计算闲置的机时资源数timeb*(resourcea-resourceb)，并提取闲置的计算核心或节点等资源列表；

23、资源释放与作业抢占模块，用于在资源需求较少的b分量计算启动后，发出释放(resourcea-resourceb)数量的资源的信号，将对应的资源列表提供给调度系统管理，由其他排队的计算作业共享使用，资源将被让位给原二分量计算作业的a分量计算继续抢占使用。

24、优选的， 在资源释放与作业抢占模块中，共享作业的计算时间被设置为具有执行时间限制。

25、优选的，共享作业的计算时间不大于计算资源确定的timeb时间段。

26、优选的，在资源释放与作业抢占模块中，选择在b分量计算完成后，由该模块发出抢占指令，终止共享作业，启动a分量计算。

27、一种二分量第一性原理计算系统的服务方法，包括以下步骤：

28、s1、配置web界面，利用配置完成的web界面为用户提供以下选择：

29、提供当前集群所需的计算队列列表、计算程序版本列表；

30、针对两个粒子分量，分别提供建议的计算核心数或资源数列表；

31、提供参数配置框；

32、s2、用户经步骤s1提供的选择确定计算队列列表、计算程序版本列表、计算核心数或资源数列表以及参数配置框；

33、s3、提交整个计算作业；

34、s4、利用后台资源调度优化组件共享两分量计算过程中的其中一个分量计算时的低效或闲置资源给其他作业。

35、优选的，在步骤s1中，当用户在选择计算队列列表、计算程序版本列表、参数配置框留空时，选择默认值；

36、当用户在选择建议的计算核心数或资源数列表留空时，根据计算体系结构的大小选择默认的作业资源数。

37、优选的，在步骤s3中提交针对单个原子结构的计算或者针对体系结构的计算，体系结构为在输入原子结构的基础上进行删除、元素替换或位移操作后另存的原子结构。

38、本发明具有以下有益效果：

39、1、针对二分量的确定计算要求，结合超算中心门户网页，简化了用户操作的计算界面，使得用户无需了解操作系统的命令行使用方法，无需学习作业调度系统的使用说明，无需接触传统单分量第一性原理计算软件中的复杂的相关的计算配置选项，能够在一个web页面内，仅输入包括目标原子结构的必要数据，其他参数均可通过默认配置以及建议配置列表来简化用户的操作流程，即可完成原本比单分量第一性原理计算更加复杂的计算流程，使用户直接处理其关心的计算问题；

40、2、通过集成原子结构输入与编辑界面，提供了一次性实现多个原子微调结构下的计算，简化了用户操作步骤；

41、3、通过设置与调度系统集成的后台资源优化组件，改进了二分量计算过程中遇到计算资源低效利用问题（即目前两个分量的计算时间一般均在数小时以上，同时，两个分量的计算资源差异(resourcea-resourceb)通常也较大，可数倍于resourceb），针对此，本发明设置后台资源优化组件，通过共享两分量计算过程中的其中一个分量计算时的低效或闲置资源给其他作业，改进了二分量计算过程中出现的资源低效利用问题。

42、4、通过软件程序将方法集成于同一个计算系统中，通过web界面的服务方式，减少了用户需要本地安装计算软件的困难，也减少了计算软件与计算硬件资源的隔离，使得软硬件形成一个有机的整体，大大提高了用户服务质量，也提高了服务效率。

43、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。