PyPWDFT: A Lightweight Python Software for Single-Node 10K Atom Plane-Wave Density Functional Theory Calculations

Python(编程语言) 计算机科学 密度泛函理论 软件 节点(物理) Atom(片上系统) 计算科学 物理 程序设计语言 操作系统 量子力学
作者
Jun Gao,Lizhong Fu,Shizhe Jiao,Zhenlin Zhang,Sheng Chen,Zhiyuan Zhang,Wentiao Wu,Lingyun Wan,Jielan Li,Wei Hu,Jinlong Yang
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.4c01605
摘要

PyPWDFT is a Python software designed for performing plane-wave density functional theory (DFT) calculations. It can perform large-scale DFT calculations using only a single process on a single node, including local density functional for 10,000 atoms and nonlocal hybrid functional for 4096 atoms. Our benchmark test results demonstrate that PyPWDFT achieves performance comparable to that of Fortran/C++ codes, despite being developed in a native Python environment. In addition, it requires only NumPy, SciPy, and CuPy, enabling CPU-GPU heterogeneous computing, achieving a two-order-of-magnitude speedup compared to single-threaded CPU execution. Due to its excellent cross-platform compatibility, medium-scale DFT calculations can be performed through a graphical user interface on personal computers and Windows systems using consumer-grade GPUs, such as the NVIDIA GeForce RTX 4090. The computational efficiency is comparable to that of professional-grade GPUs such as the NVIDIA V100. The efficient performance, scalability to handle large-scale systems, high numerical accuracy, and different interfaces for molecular dynamics collectively underscore the considerable potential of PyPWDFT to develop into versatile DFT software.
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