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Machine Learning K-Means Clustering in Interpolative Separable Density Fitting Algorithm: Advancing Accurate and Efficient Cubic-Scaling Density Functional Perturbation Theory Calculations within Plane Waves

缩放比例 聚类分析 摄动(天文学) 可分离空间 平面波 微扰理论(量子力学) 算法 数学 统计物理学 物理 数学分析 量子力学 几何学 统计
作者
Jielan Li,Likun Yang,Lingyun Wan,Wei Hu,Jinlong Yang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry A [American Chemical Society]
卷期号:128 (10): 1913-1924
标识
DOI:10.1021/acs.jpca.3c07159
摘要

Density functional perturbation theory (DFPT) is a crucial tool for accurately describing lattice dynamics. The adaptively compressed polarizability (ACP) method reduces the computational complexity of DFPT calculations from O(N4) to O(N3) by combining the interpolative separable density fitting (ISDF) algorithm. However, the conventional QR factorization with column pivoting (QRCP) algorithm, used for selecting the interpolation points in ISDF, not only incurs a high cubic-scaling computational cost, O(N3), but also leads to suboptimal convergence. This convergence issue is particularly pronounced when considering the complex interplay between the external potential and atomic displacement in ACP-based DFPT calculations. Here, we present a machine learning K-means clustering algorithm to select the interpolation points in ISDF, which offers a more efficient quadratic-scaling O(N2) alternative to the computationally intensive cubic-scaling O(N3) QRCP algorithm. We implement this efficient K-means-based ISDF algorithm to accelerate plane-wave DFPT calculations in KSSOLV, which is a MATLAB toolbox for performing Kohn-Sham density functional theory calculations within plane waves. We demonstrate that this K-means algorithm not only offers comparable accuracy to QRCP in ISDF but also achieves better convergence for ACP-based DFPT calculations. In particular, K-means can remarkably reduce the computational cost of selecting the interpolation points by nearly 2 orders of magnitude compared to QRCP in ISDF.
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