计算化学理论与实践 - 课程列表 - “交我算”教学支撑门户

# 《计算化学理论与实践》课程计算

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<div style='height:2mm;'></div>
<div style="font-family:华文楷体;font-size:14pt;">致远学院 吴量</div></center>
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<span style="font-family:华文楷体;font-size:9pt;line-height:9mm">大三专业课程</span>
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<div style="width:66px;float:left; font-family:方正公文黑体;">简介：</div> 
<div style="overflow:hidden; font-family:华文楷体;">
基于量子力学和统计力学的理论计算化学已经成为化学学科中不可或缺的研究方法。理论计算化学对于阐述实
验现象、在分子甚至电子水平理解化学过程发挥着巨大作用。本课程主要涉及以下几个方面：<br>
1. 量子力学基本原理：量子力学基本假定、算符理论、薛定谔方程、简单体系精确解<br>
2. 量子力学的近似方法：Born-Oppenheimer原理、变分法、微扰法<br>
3. 量子化学计算方法：Hatree-Fock自洽场理论、电子相关理论、密度泛函理论、基组<br>
4. 含时过程的量子化学理论：含时微扰法、含时密度泛函理论<br>
5. 化学统计力学基本原理：系综理论、热力学微扰法、凝聚态结构<br>
6. 蒙特卡洛模拟：随机模拟算法、重要性抽样、MC模拟在各种系综的应用<br>
7. 分子动力学模拟：运动方程、MD模拟控温控压、统计平均、各态历经<br>
8. 分子力学：分子力场方法、力场参数优化、正则分析<br>
9. 量子力学软件应用：高斯软件计算、以及在在化学问题的应用<br>
10. 分子模拟在物理化学、材料计算中的应用<br>
Theory and computational chemistry based on quantummechanics and statistical mechanics, is an indispensable tool for research ofchemical science. Theory and computational chemistry enable us to explain andunderstand experimental observation and chemical process at molecular or evenelectronic level. In the course based on the preparatory courses such asphysical chemistry, college mathematics, the focuses of the course are Introduction of quantum mechanics: assumptions of quantummechanics, operator theory, Schrodinger equation, exact solution of simplesystems Approximate theory: Born-Oppenheimer approximation,variational method, perturbation theory Quantum chemistry: Hatree-Fock self-consistent fieldtheory, electron correlation, densityfunctional theory, basis set in quantumchemistry Quantum chemistry for time-dependent process:time-dependent perturbation, timedependent density-functional theory, Chemical statistical mechanics: ensemble theory,thermodynamic perturbation, structure of condensed states Monte Carlo simulation: algorithm, important sampling, MCapplications within ensembles Molecular dynamics simulation: equation-of-motion,temperature/pressure control in MD, statistical average, ergodicity Molecular mechanics: molecular force field, force fieldparametrization, normal mode analysis Quantum chemistry software: Gaussian software andapplications Application of molecularsimulation in physical chemistry and computational material discovery.
</div>
<div style="width:66px;float:left; font-family:方正公文黑体;">目的：</div> 
<div style="overflow:hidden; font-family:华文楷体;">
1. 学生掌握量子化学和统计力学的基本理论，加深对于物质世界的量子力学特性的认识，理解化学反应的微观
物理化学，夯实物理-化学理论基础<br>
2. 学生掌握计算化学理论的基本算法以及软件的使用方法，构建起理论-算法-计算的完整能力链条<br>
3.学生掌握使用量子化学软件计算分子电子结构性质、光谱、热力学性质的能力<br>
4. 学生初步掌握分子动力学模拟的算法，应用分子动力学计算分子体系热力学、动力学性质<br>
5. 学生初步具备应用计算化学手段探索化学问题的能力，应用现有量子化学理论和计算工具对于具体分子体系
进行研究创新的能力。
</div>

<div style="width:66px;float:left; font-family:方正公文黑体;">内容：</div> 
<div style="overflow:hidden; font-family:华文楷体;">
实验一：<br>
1. 掌握计算各种原子的性质的方法<br> 2. 掌握计算原子轨道的方法并可视化<br> 3. 应用Koopmans定理计算亲合能和电离能<br> 4.掌握原子体系的基组选择<br> 5.完成上机作业<br>
实验二：<br>
1. 掌握反应自由能和焓的量化计算，应用量化计算各种反应的自由能变和焓变，解释反应的自发性<br> 2. 掌握应用量化计算分子热力学性质<br>3. 完成上机作业<br>
实验三：<br>
1. 理解溶剂模型的发展和应用，包括PCM、自洽场溶剂模型<br> 2.掌握PCM隐式溶剂模型的要点，理解PCM模型应用范围<br> 3. 掌握溶剂效应的量化计算方法，对于常见溶剂的溶剂效应进行计算<br> 4.完成上机作业<br>
实验四：<br>
1. 熟练掌握量化软件中势能面扫描的方法，包括键长、键角、二面角的计算<br> 2.掌握反应过渡态的确认和计算的基本原理，<br>3. 初步掌握有机反应中的过渡态搜索的方法和技巧<br> 4.掌握反应能垒的可视化方法5. 完成上机作业
</div>

<div style="width:66px;float:left; font-family:方正公文黑体;">硬件：</div> 
<div style="overflow:hidden; font-family:华文楷体;">Intel Xeon Gold 6248 10 CPUs</div>

<div style="width:66px;float:left; font-family:方正公文黑体;">软件：</div> 
<div style="overflow:hidden; font-family:华文楷体;">GAUSSIAN</div>

[TOC]

## 0. 计算账号

上海交通大学校级计算平台面向全校师生提供科研与教学支持

交大 AI 平台由 8 台 DGX- 2组成，每台 DGX-2 配备 16 块 NVIDIA Tesla V100，深度学习张量计算能力 16PFLOPS；通过搭载 NVIDIA NVSwitch 创新技术，GPU 间带宽高达 2.4 TB/s

教学账号 stu 限课程实验使用，每人可使用 1 块 Nvidia Tesla V100/32G GPU，配合 6 核 CPU，作业时长最多 6 小时，若需延长计算时间，请将作业号发送至 hpc@sjtu.edu.cn

## 1. 登录集群

浏览器中访问超算 HPC Studio 可视化平台 https://studio.hpc.sjtu.edu.cn/

其它登录方法请见 [HPC 文档](https://docs.hpc.sjtu.edu.cn/login)

## 2. 安装 GAUSSIAN

### 2.1. 打开 webshell

顶上 Shell -> CPU Cluster Shell Access

![](https://notes.sjtu.edu.cn/uploads/upload_91cbc65fa4f92509c2f599f17ca34eeb.png)

### 2.2. 输入命令

![](/uploads/upload_38aceb3a84ff7b855a6978448c180ca1.PNG)

在终端里逐行输入下方命令

```shell=
mkdir tmp  #创建文件夹tmp
vi .bashrc   
```

在里面加入以下语句然后保存文件，其中***是当前帐号的编号

```shell=
export g16root=/lustre/home/acct-stu/stu***
export GAUSS_SCRDIR=/lustre/home/acct-stu/stu***/tmp
source /lustre/home/acct-stu/stu***/g16/bsd/g16.profile
```

在终端里逐行输入下方命令

```shell=
srun -p small -n 2 --job-name session --pty /bin/bash
cp /scratch/share/stu/G16-A03-AVX2.tbz .
cd ~
tar -xjvf G16-A03-AVX2.tbz
cd g16
./bsd/install
```
注意，上方语句最后有一个点 `.`，意思是当前目录

## 3. 提交作业

### 3.1. 作业脚本

调试完成后，使用 sbatch 方式提交作业脚本进行计算

作业脚本示例（假设作业脚本名为 `test.slurm`）：

```shell=
#!/bin/bash
#SBATCH --job-name=test
#SBATCH --partition=small
#SBATCH -n 8                  # 总核数 8
#SBATCH --ntasks-per-node=8    # 每节点核数
#SBATCH --output=test.out
#SBATCH --error=%j.err

module purge
g16 test.gjf
```
作业提交：

```shell=
sbatch test.slurm
```

查看正在排队或运行的作业:

```shell=
squeue
```

取消作业，若 job ID 为 `12345`:

```shell=
scancel 12345
```

查看作业，若 job ID 为 `12345`:

```shell=
sacct -j 12345
```

查看已完成的作业效率，若 job ID 为 `12345`:

```shell=
seff 12345
```

相关命令请见 [HPC 文档](https://docs.hpc.sjtu.edu.cn/job/slurm.html)

### 3.2. 格式转换
将.chk文件转换为可兼容的文件格式
```shell=
formchk test.chk test.fchk
```
![](https://notes.sjtu.edu.cn/uploads/upload_6e8b3c9f0ca9ee709089c72e0e94e218.png)

## 4. 数据传输

轻量数据上传和下载，可以使用 HPC Studio 可视化平台的文件管理功能

Files -> Home Directory
![](/uploads/upload_676ca09e260f4b5689fefc6a2898107c.png)

然后可以上传下载文件

![](/uploads/upload_015982a53c4320b69267e6c81269eaaa.PNG)

其它数据传输说明，请见[超算使用文档](https://docs.hpc.sjtu.edu.cn/transport/index.html)

## 5. 作业要求

### 5.1. 期末大作业
根据自己的学科兴趣和方向，自主确定 final project的计算课题，进行量子化学计算，最后撰写实验报告、分析结果、以及总结。

实验报告要求：
- 实验的题目
- 计算的具体步骤
- 计算所获的结果和数据
- 计算结果的整理、分析和讨论
- 实验的总结

### 5.2. 打分标准
- 10% 计算课题的完整、意义
- 30% 计算课题的设计和可行性
- 30% 实验报告的完整、计算步骤的记录
- 30% 利用量子化学理论分析计算结果，并总结课题

## 6. 注意事项

* 教学账号仅限教学使用；一人一账号，请注意保管
* 使用中遇到问题，欢迎邮件联系我们: hpc@sjtu.edu.cn

## 7. 参考资料

* 超算使用文档: https://docs.hpc.sjtu.edu.cn/
* Matlab 使用：https://docs.hpc.sjtu.edu.cn/studio/matlab.html
* π 实时利用率：https://account.hpc.sjtu.edu.cn/top
* HPC 网站：https://hpc.sjtu.edu.cn
* 公众号：交我算
* 视频号：交我算
* 简短版使用手册（Cheat Sheet）：https://hpc.sjtu.edu.cn/Item/docs/Pi_GetStarted.pdf