NWChem

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最新版本: 
6.6
评分: 
4

自6.0版本开始,NWChem改为开源(ECL 2.0),直接下载。

简介  
NWChem是运行在高性能并行超级计算机和通常工作站集群上的计算化学软件,可以用在大多数计算平台上。NWChem使用标准量子力学描述电子波函或密度,计算分子和周期性系统的特性,还可以进行经典分子动力学和自由能模拟。

功能  
1. 分子的电子结构
1) 下面的方法计算原子坐标的能量,解析一阶导和二阶导。
   自恰场(SCF)或Hartree-Fock(RHF,UHF)
   高斯密度泛函理论(DFT),使用正常的N3和N4标度的局域,非局域(梯度校正)和杂化(局域,非局域和HF)的自旋限制交换-关联势
2) 下面的方法计算原子坐标的能量和解析一阶导。二阶导由一阶导的有限差分计算。
   自恰场(SCF)或Hartree-Fock(RHF,UHF,高自旋ROHF)
   高斯密度泛函理论(DFT),使用正常的N3和N4标度的局域和非局域交换相关势(RHF或UHF)
   自旋-轨道DFT(SODFT),使用多种局域和非局域交换相关势(UHF)
   MP2,包括使用冻芯以及RHF和UHF参考的半直接MP2
   完全活性空间SCF(CASSCF)
   束缚DFT
   加入经验性长程色散校正的DFT-D方法
3) 下面的方法仅用于计算能量。一阶导和二阶导由能量的有限差分计算。
   CCSD,CCSD(T),CCSD+T(CCSD),使用RHF参考
   二级微扰修正的选择CI。选择参考组态的CI+微扰修正可以进行激发态的能量计算,并可以对激发态进行几何优化。
   使用RHF参考的完全直接MP2
   单位分解积分近似MP2(RI-MP2),使用RHF和UHF参考
   使用RHF,UHF,RDFT,或UDFT参考的CIS,TDHF,TDDFT,和Tamm-Dancoff TDDFT用于激发态计算
   用于闭壳层和开壳层体系的CCSD(T)和CCSD[T](TCE模块)
   使用RHF,UHF,或ROHF参考的UCCD,ULCCD,UCCSD,ULCCSD,UQCISD,UCCSDT,和UCCSDTQ
   使用RHF,UHF,或ROHF参考的UCISD,UCISDT,和UCISDTQ
   使用RHF或UHF参考的非正则UMP2,UMP3,和UMP4
   EOM-CCSD,EOM-CCSDT,EOM-CCSDTQ用于闭壳层和开壳层体系激发能、跃迁矩和激发态偶极矩的计算
   CCSD,CCSDT,CCSDTQ用于闭壳层和开壳层体系偶极矩的计算
   在TCE模块中,用二次近似的单双耦合簇模型(CC2)计算激发能
4) 下面的方法可用于计算分子特性。
   使用限制或非限制参考的耦合簇线性响应
   用线性响应方法计算CCSD和CCSDT级别的基态动态极化率
   用线性响应方法计算CCSDTQ级别的动态偶极极化率
5) 对所有的方法,下面的操作都适用。
   单点能
   几何优化(最小值和过渡态)
   整个从头势能曲面上的分子动力学
   如果不能用解析导数,自动计算数值的一阶和二阶导
   笛卡尔坐标的简正振动分析
   Morokuma及其合作者的ONIOM混合方法
   产生电子密度文件用于图形显示
   求解静态和单电子特性
   原子局部电荷的静电势匹配(CHELPG方法,可以加上RESP限制或电荷约束)
6) 对于闭壳层和开壳层的SCF和DFT:
   COSMO能量
7) 另外,自动提供到以下程序的接口:
   NBO包。
   Python
8) 密度泛函:
   数十种LDA和GGA泛函(VWN,Becke97,Becke98,HCTH系列,OPTX,MPW91等),以及meta-GGA泛函。
2. 相对论效应
   以下的方法可以在量化计算中包含相对论:
   无自旋单电子Douglas-Kroll近似用于所有量子力学方法及其梯度。
   Dyall的无自旋改进Dirac哈密顿量近似,用于Hartree-Fock方法及其梯度。
   通过自旋-轨道势包含单电子自旋-轨道影响。这个选项用于DFT及其梯度,但不能用对称性。
   对于DFT,可以用无自旋的和自旋-轨道的ZORA
3. 赝势平面波电子结构
1) 下面的模块使用赝势平面波DFT,计算能量,结构优化,数值二阶导,以及从头分子动力学。
   PSPW(赝势平面波),Gamma点程序,用于计算分子、液体、晶体、表面。
   Band,标准的能带结构代码,用于计算具有小带隙(如半导体和金属)的晶体和表面。
   GAPSS,周期体系电子结构LCAO模块(聚合物,表面和固体的高斯方法),使用包含多种局域和非局域交换相关势的高斯DFT,用于计算能量(4.6以上新版本不包含这个模块)
2) 计算使用:
   共轭梯度和有限内存的BFGS最小化
   Car-Parrinello(扩展拉格朗日动力学)
   常温恒定能量下Car-Parrinello模拟
   在Car-Parrinello中固定原子的笛卡尔坐标和SHAKE束缚
   赝势库
   Hamann和Troullier-Martins模守恒赝势,可以用半芯校正
   自动的波函初始猜测,现在使用LCAO
   Vosko和PBE96交换关联势(自旋限制与非限制)
   非周期正交模拟单元,用于计算带电或高度极化的分子
   用周期和自由空间边界条件,正交模拟晶胞
   大、小平面波展开之间的转换模块
   到DRIVER,STEPPER和VIB模块的接口
   通过使用点电荷计算极化率
   Mulliken分析,点电荷分析,DPLOT分析(波函,密度,和静电势绘图)
   BAND加入费米模糊技术
   BAND加入二分量相对论波函
   BAND加入HGH自旋-轨道势
   BAND加入Hilbert分解并行FFT
   PSPW加入Car-Parrinello QM/MM
   非立方晶胞现在可以产生Wannier轨道
   PSPW使用新的并行分解,用于FFT格点和轨道
   PSPW加入分数占据的分子轨道
   二维处理器格点用于PSPW
   PSPW加入Born-Oppenheimer动力学选项
4. 分子动力学
1) 以下功能用于经典分子模拟:
   单构型能量求解
   能量最小化
   分子动力学模拟
   自由能模拟
2) 经典和量子描述的组合,执行:
   QM/MM能量最小化和分子动力学模拟
   使用任何能计算梯度的量子力学方法进行量子动力学模拟
3) 通过用DIRDYVTST模块,用户可以为POLYRATE程序写输入文件,计算化学反应速率常数,包括量子力学振动能和隧穿的贡献。
5. DNTMC,新的动力学核理论Monte Carlo模块,用于确定分子团簇的几率分布和蒸发率。
6. Python,NWChem内植了Python程序语言,用户可以很容易地组合和控制NWChem的许多高级功能,进行复杂的操作。
7. 并行工具和库(ParSoft)
NWChem 4.6新增功能:
1. 对闭壳层和开壳层体系进行CCSD(T)和CCSD[T]计算,使用阿贝尔点群对称性。
2. EOM-CCSD,EOM-CCSDT,和EOM-CCSDTQ用于闭壳层和开壳层体系的激发能,跃迁矩,和激发态偶极矩的计算。
3. CCSD,CCSDT,和CCSDTQ用于闭壳层和开壳层体系偶极矩的计算。
4. 束缚模块可以在几何优化过程中冻结原子的位置,限制键长。
5. 新的密度泛函:TPSS(目前只有能量项),HCTH/407+。
6. TCE可以或禁止重新计算Fock矩阵。这对标量相对论CI/CC/MBPT/EOM-CC的计算很有用。
7. Charmm力场。

NWChem 4.7新增功能:
1. 全新的QM/MM模块:改善了连接原子的处理;对量子区的优化和过渡态搜索可以使用驱动;可以在量子区固定原子;对量子区计算部分数值的Hessian和频率。
2. 添加的主要功能有:特性模块可以对SCF和DFT计算NMR特性;超精细耦合(Fermi-接触和自旋-偶极期待值);间接自旋-自旋耦合;用于DFT波函的屏蔽;DFT模块中自恰求解metaGGA能量;对PSPW模块加入PBE0交换-关联泛函和Hartree-Fock (xc= pbe0, hf)。
3. 结构:最大量子力学原子数增加到3000
4. 积分:改善了积分的内存管理
5. 移除了NBO模块。但是产生NBO文件的接口仍在
6. 特性:所有的特性可以用球基组计算;所有的特性可以用SCF和DFT波函计算;对NMR屏蔽改善了线性响应,收敛更快。
7. TDDFT:修改了TDDFT使用非阿贝尔群的错误,现在禁止使用非阿贝尔群;减少了内存需求。

NWChem 5.0新增功能:
1. 几个新的主要功能:分子动力学中的Q-HOP允许质子从一个残基跳到另一个残基;平面波计算可以使用精确交换;TCE可以使用完全的或局域的重整耦合簇方法;到VENUS的接口;DFT到ScaLAPACK的接口;64位平台使用优化的BLAS库。
2. DFT:新的XC泛函;调用ScaLAPACK求本征值;改善了hessian的执行;修正了metaGGA在SCF部分的BUG。
3. MD:修改了热力学积分和I/O部分的BUG。
4. NWPW:PSPW加入流水线FFT,反转对称性的选项,以及PBE0交换-关联泛函和Hartree-Fock(xc=pbe0或hf);PSPW Car-Parrinello加入转动中心的束缚和模型压力的计算;BAND的能带结构代码加入DPLOT功能,加入了解析应力计算和Hilbert分解FFT;PAW可以更快地产生.jpp文件,使重新开始计算更快,可在扩充区计算GGA交换-关联,加入在交换-关联扩充区进行数值积分的选项。
5. 特性:DFT计算自旋-自旋耦合;球基组对NMR屏蔽固定。
6. QMMM:改善了经典Bq电荷的处理;固定QM区的计算中使用更有效的ESP电荷或冻结密度表象;新的多区优化算法;用TCE计算基态和激发态。
7. TCE:活性空间CCSDt和EOMCCSDt方法的几种变体,它们使用由活性轨道定义的有限的三激发簇振幅;基态非迭代CC方法考虑了三、四激发连接簇的影响(基于相似性变换哈密顿量的微扰方法:CCSD(2),CCSD(2)_T,CCSDT(2)_Q;完全的和局域的重整方法:CR-CCSD(T),LR-CCSD(T),LR-CCSD(TQ)-1);三激发对EOMCCSD激发能的非迭代校正(完全重整EOMCCSD(T)方法:CR-EOMCCSD(T));改善了DIIS求解;寻址文件使用新形式的偏移量表,用于簇振幅,中间量和单、双电子积分;基于RHF或ROHF的CC计算使用更高效的双电子积分存储;改善了CCSD和CCSD(T)代码的执行和稳定性。

NWChem 5.1新增功能:
1. TCE:耦合簇线性响应理论支持自旋限制和非限制的参考态;支持CCSDT理论级别的基态动态极化率;CC2可用于激发态计算;计算时间和内存使用的改善。
2. 重元素化学模型:Gaussian和平面波DFT模块支持自旋轨道ZORA,用于重元素化学模拟;自旋轨道Douglas-Kroll方法。
3. 平面波模块:Fermi模糊技术用于模拟金属;可以使用任何的一般赝势;改善了计算速度和标度。
4. 用户对NWChem的贡献:Van Voorhis小组开发的受约束密度泛函理论,用于研究电荷转移反应;Truhlar小组的M06密度泛函。

NWChem 5.1.1新增功能:
1. DFT:DFT-D用经验方法考虑DFT的长程色散校正。
2. DNTMC:动力学聚集理论模块,确定分子团簇的几率分布和蒸发率。
3. NWPW:PSPW加入了分数轨道占据和Born-Oppenheimer动力学选项。
4. TCE:改善了四阶多体微扰校正(MBPT4);附加的双电子积分变换算法;混合IO方案;并行CCSD,CCSDT,CCSDTQ计算的检查点文件用于重新开始计算;在CCSDTQ级别用线性响应理论计算动态偶极极化率。

NWChem 6.0的新功能:
1. 对于TCE的四指数转换,CCSD(T),CR-EOMCCSD(T),和EOMCCSD的求解程序,大大改善了内存管理
2. 改善了TCE CCSD(T),CR-EOMCCSD(T),和EOMCCSD的执行和稳定性
3. 基于TCE的静态CCSD超极化率
4. Gaussian DFT模块加入新的交换关联泛函:范围分离的泛函:CAM-B3LYP,LC-BLYP,LC-PBE,LC-PBE0,BNL。这些泛函还可以用于执行TDDFT激发能计算;SSB-D泛函;双杂化泛函(半经验杂化DFT与MP2微扰的组合)
5. DFT响应计算可用于1阶(线性响应),单频,电场和电磁混合场的微扰计算
6. 可以用直接数据方法和分布数据方法执行自旋轨道
7. 大大完善了QM/MM模拟的文档
8. 错误修复:DISP的经验长程vdW贡献;NMR中的Hartree-Fock交换贡献
9. 平面波BAND模块对k点,AIMD和自旋轨道赝势实现了并行化
10.对金属体系和元动力学功能改善了平面波的最小化模块

NWChem 6.1的新功能:
1. 高精度:新的活性空间非迭代方法;改进的运动方程程序用于激发态;重新开始功能;改进了迭代的执行
2. 高斯基组的DFT和TDDFT:新的密度泛函LC-wPBE,LC-wPBEh,BHLYP;开壳层体系的解析Hessian;TDDFT计算芯态;TDDFT结合标量ZORA;有限核的ZORA计算;TDDFT可以重新开始Davidson流程;自旋密度初始化DFT;二次收敛DFT;DFT-D3;SMEAR指令控制Sz
3. 平面波DFT和动力学:单位晶胞的结构优化;Meta动力学平面波模块;WHAM方法平面波模块;杂化DFT的HSE交换泛函平面波;新的DFT泛函;自旋密度初始化DFT;自动重新开始CPMD ;自动产生g(r) CPMD;Born-Oppenheimer MD;用于大量处理器的并行I/O;k点并行;String方法;PAW/PSPW/Band积分;完整的PSPW赝势集
4. 特性:标量ZORA计算顺磁NMR;标量ZORA计算电场梯度(Z4);旋光;拉曼谱;范围分隔泛函计算NMR特性;平面波EFG;球基函数计算ESP
5. 分子动力学:多系综分子动力学
6. 输入:支持所有空间群;读取CAR,PDB,XYZ
7. 其它:新的CCCA;结构优化中限制二面角;各种新的QM/MM功能;通过bq_charges文件嵌入电荷;扩充了python脚本功能

NWChem 6.3的新功能:
1. 高精度方法:多参考耦合簇;GPU版CCSD(T)
2. 高斯基组的DFT和TDDFT:Minnesota交换关联泛函(M08,M11);使用短程HF;HSE泛函;分数电子;用TDDFT计算X射线吸收谱;芯-空穴计算;实时TDDFT;COSMO解析梯度;TDDFT产生跃迁密度
3. 平面波DFT和动力学:PSPW加入DFT+U;BAND加入Mulliken和投影态密度;在结构优化中使用空间群对称性;Meta动力学加入局域态密度集体变量;PSPW加入电子转移;改善了软材料的单位晶胞优化;加入大量的新泛函,包括杂化泛函和范围校正泛函;AIMD/MM加入Buckingham,BMH,和DBMH势;即将加入PAW升级,电场梯度,Meta GGAs,色散校正GGA
4. 特性:开壳层体系的g位移,超精细,屏蔽;相对论校正的电场梯度

NWChem 6.5的新功能:
1. TDDFT解析梯度
2. COSMO解析梯度
3. 强化了COSMO参数的处理
4. 基于密度的溶剂化模型(SMD)
5. 垂直激发或发射(VEM)模型
6. Becke97型交换关联泛函的解析二阶导数
7. 开壳层和闭壳层CPHF
8. 交换空穴偶极矩方法(XDM)
9. 计算激发态之间的跃迁密度
10.平面波DFT交换关联泛函的完整列表
11.MP2/CCSD的SCS方法
12.改进了芯内MP2(即,无I/O)方法的稳定性
13.运动方程耦合簇理论(IP/EA-EOMCCSD)准确计算电子亲和(EA)与电离势(IP)
14.非迭代CCSD(T)和CR-EOMCCSD(T)计算使用大tile(基于多维张量切片表示的新并行算法)
15.TCE对RHF/ROHF参考使用新的四指数变换
16.TCE CCSD(T)模块使用Intel MIC端口
17.减少了beta超极化率线性响应CCSD方法的内存需求
18.优化了闭壳层体系自旋匹配CCSD方法的执行
19.温度加速分子动力学(TAMD)
20.TAMD和Meta动力学加入了方程输入,因此用户在自由能模拟中无需定义特别的共同变量
21.在BAND中冻结声子
22.二维表面结构优化
23.到FEFF6L的接口
24.AIMD/MM中的离子-电子相互作用FMM执行
25.PSPW加入常数温度和压强Metropolis Monte-Carlo (beta)
26.在QM/MM计算中基于原子名称分配不同基组
27.完整处理空间群
28.Windows 32-位环境的Mingw32端口

NWChem 6.6的新功能:
1. 新的qmd模块AIMD (NVT, NVE)用于分子和有限体系。它可以与NWChem中全部高斯基的基态和激发态方法一起使用,只要能提供能量和(解析或数值)梯度。它还可以与COSMO结合。此外还提供独立的qmd_analysis代码用于分析轨迹数据。
2. COSMO的York-Karplus方法。由于COSMO做了大量修改,Klamt-Schuurman方法目前尚不能与以前的版本兼容。
3. 改进了NWXC模块。
4. 把FEFF6库整合到AIMD。
5. 在PSPW模块中重新执行了PAW方法,易于使用。
6. Grimme2和Grimme3势加入到NWPW。
7. MGGA-MVS泛函加入到Gaussian DFT模块中。
8. NWPW波函的初始收敛在完成阶段改用更精密的格点。
9. 读写ASCII格式的NWPW波函。
10.Metropolis NVT和NPT加入到PSPW。
11.在Metadynamics和TAMD中,方程分析程序可以定义集合变量。
12.新的NEB求解程序基于完全近似方案(FAS)求解。
13.时间积分器可以并行。
14.分子动力学模块的轨迹可输出为xyz格式。
15.MR-CCSD(T)的Intel Xeon Phi端口。
16.Global Arrays库升级到5-4。
17.简化安装(自动探测MPI变量)。
18.改进了ScaLapack与ELPA的整合。
19.改进了DFT电荷密度拟合的并行化。
20.改进了半直接MP2的并行稳定性。
21.MOLDEN格式的分子轨道文件。