نرم افزار کوانتوم اسپرسو ❤️ Quantum ESPRESSO : راهنمای جامع و کامل ✅

مقدمه

نرم‌افزار کوانتوم اسپرسو Quantum ESPRESSO یکی از قدرتمندترین نرم‌افزارهای متن‌باز برای محاسبات ساختار الکترونیکی مواد است. این نرم‌افزار که مخفف “Quantum opEn-Source Package for Research in Electronic Structure, Simulation, and Optimization” می‌باشد، بر پایه روش نظریه تابعی چگالی (DFT) توسعه یافته است. این ابزار پژوهشگران را قادر می‌سازد تا ساختارهای بلوری، خواص مکانیکی، مغناطیسی و الکترونیکی مواد مختلف را با دقت بالایی مدل‌سازی کنند. همچنین از آن می‌توان در محاسبات طیف‌های نوری، دینامیک مولکولی و شبیه‌سازی‌های نانومواد استفاده کرد.

نرم‌افزار کوانتوم اسپرسو Quantum ESPRESSO دارای قابلیت‌های پیشرفته‌ای مانند پردازش موازی، پشتیبانی از انواع شبه‌پتانسیل‌ها و امکان انجام محاسبات دقیق بر روی سیستم‌های پیچیده است. این نرم‌افزار به‌صورت گسترده‌ای در زمینه‌های تحقیقاتی مرتبط با مواد پیشرفته، فیزیک حالت جامد، شیمی محاسباتی و مهندسی نانو استفاده می‌شود.

ویژگی‌های کلیدی کوانتوم اسپرسو Quantum ESPRESSO

متن‌باز و رایگان: این نرم‌افزار در قالب یک پلتفرم متن‌باز ارائه شده است و محققان می‌توانند از آن به‌صورت رایگان استفاده کنند.
مبتنی بر نظریه تابعی چگالی (DFT): محاسبات بر اساس DFT انجام می‌شود که یکی از روش‌های دقیق برای مطالعه خواص الکترونی مواد است.
پشتیبانی از پردازش موازی: این نرم‌افزار از پردازنده‌های چند هسته‌ای و کلاسترهای محاسباتی پشتیبانی می‌کند.
قابلیت محاسبه ساختار نواری، چگالی حالات (DOS) و تابع موج: این ویژگی‌ها برای مطالعه خواص الکترونیکی مواد ضروری هستند.
پشتیبانی از شبه‌پتانسیل‌های مختلف: از جمله PAW، USPP و Norm-Conserving pseudopotentials.
قابلیت انجام محاسبات اسپین‌پولاریزه: مناسب برای بررسی خواص مغناطیسی مواد.
پشتیبانی از محاسبات دینامیک مولکولی و طیف‌های ارتعاشی: برای مطالعه تغییرات ساختاری مواد در دماها و فشارهای مختلف.
پشتیبانی از محاسبات نانومواد و سیستم‌های پیچیده: قابلیت بررسی خواص نانوساختارها و تأثیرات کوانتومی بر روی آن‌ها.

کاربردهای کوانتوم اسپرسو Quantum ESPRESSO

نرم‌افزار کوانتوم اسپرسو Quantum ESPRESSO در حوزه‌های مختلف علمی مورد استفاده قرار می‌گیرد، از جمله:

بررسی و شبیه‌سازی خواص الکترونیکی و مغناطیسی مواد پیشرفته
مطالعه پایداری ساختارهای بلوری و پیش‌بینی خواص فیزیکی مواد جدید
شبیه‌سازی رفتار مواد نانوساختار مانند نانولوله‌های کربنی و نقاط کوانتومی
بررسی تأثیر آلایش و نقص‌های ساختاری بر روی خواص الکترونیکی مواد
محاسبه طیف‌های فونونی و بررسی اثرات ارتعاشی در مواد
مطالعه دینامیک مولکولی و برهم‌کنش‌های بین مولکولی در سیستم‌های پیچیده
تحلیل خواص نوری و طیفی مواد و بررسی کاربردهای اپتوالکترونیکی آن‌ها

نصب کوانتوم اسپرسو Quantum ESPRESSO

پیش‌نیازها

قبل از نصب، بسته‌های زیر باید روی سیستم نصب شوند:

GCC یا Intel Compiler برای کامپایل کدها
MPI (OpenMPI یا MPICH) برای پردازش موازی
FFTW برای انجام تبدیل‌های فوریه سریع
BLAS و LAPACK برای محاسبات ماتریسی
Python و سایر ابزارهای تحلیل داده برای پردازش و تحلیل خروجی‌ها

مراحل نصب

دریافت جدیدترین نسخه از سایت رسمی Quantum ESPRESSO
استخراج فایل‌ها: tar -xvf qe-*.tar.gz cd qe-*
پیکربندی نرم‌افزار: ./configure
کامپایل و نصب: make all

اجرای یک شبیه‌سازی ساده در کوانتوم اسپرسو Quantum ESPRESSO

برای اجرای یک محاسبه ساده، نیاز به دو فایل اصلی داریم:

فایل ورودی (input.in): شامل اطلاعات ساختار بلوری، پارامترهای محاسباتی و نوع شبیه‌سازی.
پتانسیل شبه‌پتانسیل: داده‌های مورد نیاز برای توصیف هسته و الکترون‌ها.

مثال: محاسبه ساختار الکترونی سیلیکون

&control
  calculation = 'scf'
  prefix = 'silicon'
  outdir = './output/'
/
&system
  ibrav = 2
  celldm(1) = 10.26
  nat = 2
  ntyp = 1
  ecutwfc = 40.0
  occupations = 'smearing'
  smearing = 'gaussian'
  degauss = 0.01
/
&electrons
  conv_thr = 1.0d-6
/
ATOMIC_SPECIES
Si 28.085 Si.pz-vbc.UPF
ATOMIC_POSITIONS (angstrom)
Si 0.0 0.0 0.0
Si 1.36 1.36 1.36
K_POINTS automatic
۶ ۶ ۶ ۱ ۱ ۱

اجرای محاسبه:

pw.x < input.in > output.out

تحلیل خروجی‌های کوانتوم اسپرسو Quantum ESPRESSO

بعد از اجرای محاسبات، خروجی‌های مختلفی شامل انرژی کل، ساختار نواری، چگالی حالات (DOS) و طیف‌های نوری ایجاد می‌شوند. با استفاده از ابزارهای جانبی مانند Xcrysden، gnuplot و VESTA می‌توان این داده‌ها را تحلیل و بصری‌سازی کرد. همچنین می‌توان نتایج را با نرم‌افزارهای دیگر مانند QuantumATK و Materials Studio مقایسه کرد تا دقت مدل‌سازی‌ها را افزایش داد.

بهینه‌سازی محاسبات در کوانتوم اسپرسو Quantum ESPRESSO

برای افزایش سرعت و دقت محاسبات در این نرم‌افزار، می‌توان اقدامات زیر را انجام داد:

استفاده از پردازش موازی با پیکربندی مناسب پردازنده‌ها
انتخاب مقادیر بهینه برای ecutwfc و k-points
بهره‌گیری از شبه‌پتانسیل‌های دقیق‌تر مانند PAW
تنظیم پارامترهای همگرایی برای کاهش زمان محاسبات

نتیجه‌گیری

کوانتوم اسپرسو Quantum ESPRESSO یک نرم‌افزار قدرتمند و متن‌باز برای محاسبات پیشرفته مواد و فیزیک محاسباتی است. با قابلیت‌های گسترده و امکان پردازش موازی، این ابزار انتخابی ایده‌آل برای پژوهشگران حوزه علم مواد و فیزیک نظری محسوب می‌شود. پشتیبانی قوی از جامعه علمی و منابع آموزشی گسترده، یادگیری این نرم‌افزار را برای محققان ساده‌تر کرده است. به کمک Quantum ESPRESSO می‌توان تحقیقاتی نوین در زمینه نانومواد، ساختارهای الکترونی و طیف‌های نوری انجام داد و به درک بهتری از رفتار مواد در مقیاس نانو دست یافت.

لیست سیستم های مرکز اجاره ابررایانه HPC-Center.ir به همراه قیمت و مشخصات سخت افزاری :

رندرینگ:

کارت گرافیک	CPU Thread	RAM (GB)	حافظه (GB)	CPU-Speed	ماهیانه(تومان)	هفتگی(تومان)	روزانه(تومان)
گرافیک 3090 (24 گیگ)	56	64	250 Nvme	2.40- 3.30 GHz	9,600,000	3,200,000	400,000
گرافیک 3090 (24 گیگ)	56	64	250 Nvme	2.40- 3.30 GHz	9,600,000	3,200,000	400,000

محاسباتی:

شماره	CPU-Thread	RAM (GB)	حافظه (GB)	CPU-Speed	ماهیانه(تومان)	هفتگی	روزانه
1	16	4	300sas	2.40-2.70 GHz	510,000	170,000	40,000
2	16	12	300sas	2.40-2.70 GHz	820,000	273,333	50,000
3	16	24	292sas	2.40-2.70 GHz	990,000	330,000	50,000
4	24	32	600sas	2.40- 2.70 GHz	1,500,000	500,000	100,000
5	24	24	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,440,000	480,000	100,000
6	24	24	292sas	2.50- 2.90 GHz	1,440,000	480,000	100,000
7	24	24	292sas	2.50- 2.90 GHz	1,440,000	480,000	100,000
8	24	24	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,440,000	480,000	100,000
9	24	24	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,440,000	480,000	100,000
10	24	24	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,440,000	480,000	100,000
11	24	24	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,440,000	480,000	100,000
12	24	24	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,440,000	480,000	100,000
13	24	24	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,440,000	480,000	100,000
14	24	24	600sas	2.50- 2.90 GHz	1,650,000	550,000	100,000
15	24	32	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,590,000	530,000	100,000
16	24	32	600sas	2.50- 2.90 GHz	1,800,000	600,000	100,000
17	24	48	290sas	2.66-3.06 GHz	1,710,000	570,000	100,000
18	24	48	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,710,000	570,000	100,000
19	24	48	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,710,000	570,000	100,000
20	24	48	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,710,000	570,000	100,000
21	24	48	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,710,000	570,000	100,000
22	24	48	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,710,000	570,000	100,000
23	24	48	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,710,000	570,000	100,000
24	24	64	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,890,000	630,000	100,000
25	24	24	300sas	2.66-3.06 GHz	1,500,000	500,000	100,000
26	24	24	300sas	2.66-3.06 GHz	1,500,000	500,000	100,000
27	24	24	300sas	2.66-3.06 GHz	1,500,000	500,000	100,000
28	24	24	300sas	2.66-3.06 GHz	1,500,000	500,000	100,000
29	24	24	300sas	2.66-3.06 GHz	1,500,000	500,000	100,000
30	24	24	300sas	2.66-3.06 GHz	1,500,000	500,000	100,000
31	24	24	300sas	2.66-3.06 GHz	1,500,000	500,000	100,000
32	24	24	300sas	2.66-3.06 GHz	1,500,000	500,000	100,000
33	24	28	300sas	2.66-3.06 GHz	1,500,000	500,000	100,000
34	24	48	300sas	2.66-3.06 GHz	1,710,000	570,000	100,000
35	24	48	300sas	2.66-3.06 GHz	1,710,000	570,000	100,000
36	24	48	300sas	2.66-3.06 GHz	1,710,000	570,000	100,000
37	24	48	300sas	2.66-3.06 GHz	1,710,000	570,000	100,000
38	24	48	300sas	2.66-3.06 GHz	1,710,000	570,000	100,000
39	24	48	300sas	2.66-3.06 GHz	1,710,000	570,000	100,000
40	24	48	300sas	2.66-3.06 GHz	1,710,000	570,000	100,000
41	24	48	460 sas	2.66-3.06 GHz	1,800,000	600,000	100,000
42	24	48	600sas	2.66-3.06 GHz	2,000,000	666,667	100,000
43	24	64	292sas	2.66-3.06 GHz	1,890,000	630,000	100,000
44	24	64	300sas	2.66-3.06 GHz	1,890,000	630,000	100,000
45	24	64	300sas+300	2.66-3.06 GHz	2,100,000	700,000	100,000
46	24	64	300sas	2.80- 3.20 GHz	1,890,000	630,000	100,000
47	24	24	300sas	2.93-3.33 GHz	1,650,000	550,000	100,000
48	24	24	300sas	2.93-3.33 GHz	1,650,000	550,000	100,000
49	24	24	292sas	2.93- 3.33 GHz	1,650,000	550,000	100,000
50	24	32	300sas	2.93-3.33 GHz	1,800,000	600,000	100,000
51	24	32	300sas	2.93-3.33 GHz	1,800,000	600,000	100,000
52	24	48	290sas	2.93-3.33 GHz	1,950,000	650,000	100,000
53	24	48	300sas	2.93-3.33 GHz	1,950,000	650,000	100,000
54	24	48	300sas	2.93-3.33 GHz	1,950,000	650,000	100,000
55	24	48	300sas	2.93-3.33 GHz	1,950,000	650,000	100,000
56	24	48	300sas	2.93-3.33 GHz	1,950,000	650,000	100,000
57	24	48	300sas	2.93-3.33 GHz	1,950,000	650,000	110,000
58	24	64	300sas	2.93-3.33 GHz	2,100,000	700,000	100,000
59	24	64	300sas	2.93-3.33 GHz	2,100,000	700,000	100,000
64	24	64	300sas	2.93-3.33 GHz	2,100,000	700,000	100,000
60	24	64	592sas	2.93-3.33 GHz	2,250,000	750,000	100,000
61	24	64	292sas+300	2.93-3.33 GHz	2,250,000	750,000	110,000
62	24	64	584sas	2.93-3.33 GHz	2,250,000	750,000	100,000
63	24	128	300sas	2.93-3.33 GHz	2,700,000	900,000	130,000
65	24	32	300sas	3.06- 3.46 GHz	1,950,000	650,000	100,000
66	24	32	300sas	3.06- 3.46 GHz	1,950,000	650,000	100,000
67	24	48	300sas	3.06- 3.46 GHz	1,950,000	650,000	100,000
68	24	64	292sas	3.06- 3.46 GHz	2,100,000	700,000	120,000
69	24	128	300sas	3.06- 3.46 GHz	2,700,000	900,000	160,000
70	24	48	240ssd	3.36- 3.60 GHz	2,100,000	700,000	120,000
71	24	64	600sas	3.36- 3.60 GHz	2,100,000	700,000	120,000
72	24	64+56	500sas	3.36- 3.60 GHz	2,400,000	800,000	130,000
73	24	256	440sas	3.46-3.73 GHz	4,990,000	1,663,333	130,000
74	24	48	900sas	3.46-3.73 GHz	2,250,000	750,000	130,000
75	32	32	1.2T sas	2.60- 3.40 GHz	3,000,000	1,000,000	130,000
76	40	32	300sas	1.70- 2.10 GHz	2,100,000	700,000	200,000
77	40	32	900sas	3.00- 3.60 GHz	3,600,000	1,200,000	200,000
78	40	128	240ssd+900sas	3.00- 3.60 GHz	5,300,000	1,766,667	200,000
79	40	64	584sas	3.00- 3.60 GHz	4,050,000	1,350,000	200,000
80	40	64	584sas	3.00- 3.60 GHz	4,050,000	1,350,000	200,000
81	40	64	240ssd+300 sas	3.00- 3.60 GHz	4,100,000	1,366,667	200,000
82	40	64	900sas	3.00- 3.60 GHz	4,350,000	1,450,000	200,000
83	40	64	900sas	3.00- 3.60 GHz	4,350,000	1,450,000	200,000
84	40	96	900sas	3.00- 3.60 GHz	4,500,000	1,500,000	250,000
85	40	128	240ssd	3.00- 3.60 GHz	4,650,000	1,550,000	250,000
86	40	128	584sas	3.00- 3.60 GHz	4,800,000	1,600,000	250,000
87	48	64	584sas	2.40- 3.20 GHz	4,500,000	1,500,000	300,000
88	48	32	240ssd	2.50- 2.90 GHz	3,900,000	1,300,000	300,000
89	48	32	292sas	2.50- 2.90 GHz	3,900,000	1,300,000	300,000
90	48	48	900sas	2.50- 2.90 GHz	4,350,000	1,450,000	300,000
91	48	64	600sas	2.50- 2.90 GHz	4,650,000	1,550,000	300,000
92	48	96	900sas	2.50- 2.90 GHz	5,100,000	1,700,000	300,000
93	48	256	240ssd+1.8T	2.50- 2.90 GHz	7,750,000	2,583,333	300,000
94	48	64	300sas	2.70- 3.50 GHz	4,750,000	1,583,333	300,000
95	48	64	240ssd	2.70- 3.50 GHz	4,500,000	1,500,000	300,000
96	48	64	240ssd	2.70- 3.50 GHz	4,650,000	1,550,000	300,000
97	48	64	584sas	2.70- 3.50 GHz	4,800,000	1,600,000	300,000
98	48	64	900sas	2.70- 3.50 GHz	4,950,000	1,650,000	300,000
99	48	128	300sas	2.70- 3.50 GHz	5,200,000	1,733,333	300,000
100	48	128	600sas+1.8T	2.70- 3.50 GHz	6,300,000	2,100,000	300,000
101	48	96	900sas	2.70- 3.50 GHz	5,250,000	1,750,000	350,000
102	48	128	300sas+1.8T	2.70- 3.50 GHz	6,300,000	2,100,000	400,000
103	48	128	300sas	2.70- 3.50 GHz	5,400,000	1,800,000	400,000
104	48	128	600sas	2.70- 3.50 GHz	5,550,000	1,850,000	400,000
105	48	128	600sas	2.70- 3.50 GHz	5,550,000	1,850,000	400,000
106	48	128	900sas	2.70- 3.50 GHz	5,400,000	1,800,000	400,000
107	48	128	900sas	2.70- 3.50 GHz	5,400,000	1,800,000	400,000
108	48	64	300sas	2.50- 3.30 GHz	4,500,000	1,500,000	400,000
109	56	64	120ssd	2.40- 3.30 GHz	4,500,000	1,500,000	400,000
110	56	64	120ssd	2.40- 3.30 GHz	4,650,000	1,550,000	400,000
111	56	64	300sas	2.40- 3.30 GHz	4,650,000	1,550,000	400,000
	56	64	300sas	2.40- 3.30 GHz	4,650,000	1,550,000	400,000
112	56	64	300sas+1.8T	2.40- 3.30 GHz	5,850,000	1,950,000	400,000
113	56	64	600sas	2.40- 3.30 GHz	4,800,000	1,600,000	400,000
114	56	64	600sas	2.40- 3.30 GHz	4,800,000	1,600,000	400,000
115	56	64	900sas	2.40- 3.30 GHz	4,950,000	1,650,000	400,000
116	56	64	900sas	2.40- 3.30 GHz	4,950,000	1,650,000	400,000
117	56	64	900sas	2.40- 3.30 GHz	4,950,000	1,650,000	400,000
118	56	64	900sas	2.40- 3.30 GHz	4,950,000	1,650,000	400,000
119	56	64	600sas+1.8T	2.40- 3.30 GHz	6,000,000	2,000,000	400,000
120	56	128	600sas	2.40- 3.30 GHz	5,700,000	1,900,000	400,000
121	72	64	250 Nvme	2.30- 3.60 GHz	7,200,000	2,400,000	500,000
122	72	64	900sas	2.30- 3.60 GHz	7,200,000	2,400,000	500,000
123	80	128	600sas	2.00- 2.20 GHz	4,800,000	1,600,000	500,000
124	88	96	600sas	2.20- 3.60 GHz	10,000,000	3,300,000	600,000
125	120	256	900sas	2.80- 3.40 GHz	10,500,000	3,500,000	600,000
126	176	256	900sas	2.20- 3.30 GHz	16,500,000	5,500,000	900,000