2022年1月14日，北京邁高材云科技有限公司召開(kāi)了線上產(chǎn)品發(fā)布會(huì)，宣布MatCloud+材料云支持Quantum ESPRESSO第一性原理計(jì)算，并進(jìn)行了實(shí)操使用講解。從此，用戶也可使用免費(fèi)開(kāi)源，且功能強(qiáng)大的Quantum ESPRESSO，通過(guò)瀏覽器，開(kāi)展第一性原理計(jì)算。這意味著，用戶可以通過(guò)云端開(kāi)展第一性原理計(jì)算，發(fā)表論文，不用再擔(dān)心版權(quán)問(wèn)題。

經(jīng)測(cè)試表明，通過(guò)MatCloud+開(kāi)展Quantum ESPRESSO第一性原理計(jì)算，減少人工干預(yù)次數(shù)可達(dá)90%，為廣大科研人員帶去了真正的福音。發(fā)布會(huì)搭配“云直播”實(shí)時(shí)在線互動(dòng)，共有近千名用戶參加本次線上直播發(fā)布會(huì)，收到廣大用戶好評(píng)。

MatCloud+針對(duì)Quantum ESPRESSO進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，這也是國(guó)內(nèi)首個(gè)可實(shí)現(xiàn)Quantum ESPRESSO高通量計(jì)算與材料數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)的材料智能計(jì)算平臺(tái)，在繼承了Quantum ESPRESSO優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，更實(shí)現(xiàn)了Quantum ESPRESSO所不支持的高通量并發(fā)式計(jì)算、任務(wù)監(jiān)控、全程圖形化展示、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)入庫(kù)、數(shù)據(jù)自動(dòng)化學(xué)習(xí)等功能，進(jìn)一步提升了Quantum ESPRESSO的使用效率。用戶開(kāi)展第一性原理計(jì)算，不再局限于某商業(yè)化軟件。

Quantum ESPRESSO簡(jiǎn)介

一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)開(kāi)展第一性原理計(jì)算，總是局限于某1-2個(gè)商業(yè)軟件。這些軟件，不僅購(gòu)買使用許可價(jià)格昂貴，而且還需要下載、本地安裝，還需通過(guò)人工部署到高性能計(jì)算集群，在計(jì)算集群的Linux環(huán)境準(zhǔn)備好各種輸入文件，再編寫配套的作業(yè)提交腳本和后處理腳本，才能開(kāi)展使用。

實(shí)際上，開(kāi)源的Quantum ESPRESSO（QE）也是一款非常出色的第一性原理計(jì)算軟件，它是一款用于電子結(jié)構(gòu)、模擬、弛豫且開(kāi)源免費(fèi)的量化計(jì)算軟件，包含了很多主流第一性原理軟件所沒(méi)有的超導(dǎo)計(jì)算、電子能量損失譜、彈道輸運(yùn)等功能。結(jié)合內(nèi)置的后處理軟件包可輕松獲取可視化的數(shù)據(jù)信息，開(kāi)源免費(fèi)的特性可以支持企業(yè)及各大科研院所實(shí)現(xiàn)低成本科研，而強(qiáng)大全面的計(jì)算功能可以為論文提供更可靠的數(shù)據(jù)論證。未來(lái)QE將致力于并行效率的提升、自洽或全局最小化算法的優(yōu)化、計(jì)算精度的提升等，為用戶提供一個(gè)高效、精準(zhǔn)、免費(fèi)的第一原理計(jì)算程序（功能比較見(jiàn)圖1）。

正是由于無(wú)需版權(quán)、功能全面的特點(diǎn)，QE獲得了大量用戶的認(rèn)可，截止至今，采用QE發(fā)表論文的數(shù)量已經(jīng)超過(guò)2萬(wàn)篇，穩(wěn)居第一性計(jì)算軟件的第二梯隊(duì)。自2009年Quantum ESPRESSO問(wèn)世以來(lái)，其引用次數(shù)逐年增加，從眾多第一性原理軟件中脫穎而出（圖2）。從下圖我們可以看到，QE用戶是呈逐年增多的趨勢(shì)，在歐美等國(guó)家得到了廣泛的應(yīng)用。截至2021年，來(lái)自Google Scholar的第一性原理軟件用戶數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，QE使用用戶的增長(zhǎng)率和其它常用第一性原理軟件的用戶使用增長(zhǎng)率幾乎持平。

Quantum ESPRESSO使用中的困擾

盡管QE是一款出色的開(kāi)源第一性原理計(jì)算軟件，然而使用中，卻存在如下的困難，導(dǎo)致其在國(guó)內(nèi)的使用人數(shù)，沒(méi)有那么廣泛。
1.QE參數(shù)設(shè)置層面，由于參數(shù)眾多，熟悉了解并挑選出合適的參數(shù)較為困難，格式要求多，容易由于人為失誤造成任務(wù)失敗，參數(shù)解釋晦澀難懂，網(wǎng)上教程少。
2.輸入結(jié)構(gòu)層面，需要利用POSCAR文件格式生成結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，建模需要利用特殊軟件，通常需要版權(quán)。
3.在贗勢(shì)上看，文件不同類型贗勢(shì)需要從網(wǎng)站采集，沒(méi)有整合成庫(kù)，不同贗勢(shì)推薦截?cái)嗄懿灰粯樱枰獜母鱾€(gè)渠道尋找。
4.在計(jì)算提交方面，計(jì)算集群配置，安裝編譯QE需要各種依賴庫(kù)，自行編寫提交腳本，需要編程基礎(chǔ)，無(wú)實(shí)時(shí)任務(wù)監(jiān)控及任務(wù)銜接，浪費(fèi)時(shí)間。
5.最后在后處理上，需要學(xué)習(xí)編程及熟悉后處理代碼，數(shù)據(jù)難復(fù)用，易丟失。

MatCloud+帶給QE的創(chuàng)新和價(jià)值提升

MatCloud+針對(duì)國(guó)內(nèi)用戶使用QE存在不便捷的地方，對(duì)QE第一性原理計(jì)算進(jìn)行了如下改進(jìn)和價(jià)值提升。融合QE的各種優(yōu)勢(shì)，MatCloud+針對(duì)QE進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，這也是國(guó)內(nèi)首個(gè)可實(shí)現(xiàn)Quantum ESPRESSO高通量計(jì)算的材料智能設(shè)計(jì)平臺(tái)，在繼承了QE優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，更實(shí)現(xiàn)了QE所不支持的高通量并行計(jì)算、任務(wù)監(jiān)控、全程圖形化展示、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)入庫(kù)等功能，進(jìn)一步提升了QE的使用效率。

01MatCloud+讓QE第一原理計(jì)算圖形化、流程化

MatCloud+基于QE量子力學(xué)引擎，進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，并重新定義了第一性原理計(jì)算的操作，將模型搭建、高通量建模、各處理間數(shù)據(jù)流動(dòng)（如幾何優(yōu)化、靜態(tài)計(jì)算）、參數(shù)設(shè)置、贗勢(shì)處理、計(jì)算數(shù)據(jù)后處理、計(jì)算數(shù)據(jù)持久化等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，圖形化、組件化，通過(guò)靈活的“托拽”方式實(shí)現(xiàn)自組裝的各個(gè)功能集中整合（圖3）。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了QE高通量材料計(jì)算“建模-計(jì)算-數(shù)據(jù)- AI”的“云端”一體自動(dòng)化流程，直接連接千核/萬(wàn)核集群，解決了材料計(jì)算參數(shù)設(shè)置復(fù)雜、贗勢(shì)處理繁瑣、數(shù)據(jù)后處理易出錯(cuò)、計(jì)算數(shù)據(jù)易丟失等問(wèn)題。

02MatCloud+讓QE參數(shù)設(shè)置更靈活

QE擁有十幾個(gè)功能模塊，而僅PWscf一個(gè)包就含有200多個(gè)參數(shù)，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)仍然晦澀難懂，而MatCloud+根據(jù)功能的不同，從QE的各個(gè)模塊中將獨(dú)立的功能抽取出來(lái)，形成了一個(gè)一個(gè)組件，為每個(gè)組件預(yù)設(shè)了關(guān)鍵參數(shù)，僅通過(guò)點(diǎn)選方式即可設(shè)置參數(shù)，操作靈活簡(jiǎn)便。另外，MatCloud+為每個(gè)參數(shù)都提供了觸手可及中文使用幫助，極大減少了用戶調(diào)研參數(shù)使用的時(shí)間。

針對(duì)贗勢(shì)及其內(nèi)部參數(shù)獲取繁瑣的問(wèn)題，MatCloud+將全種類贗勢(shì)整合了到了每個(gè)組件中，僅需點(diǎn)選想要選擇的贗勢(shì)種類，就可實(shí)現(xiàn)為每個(gè)元素自動(dòng)分配此類型的贗勢(shì)，并結(jié)合元素和贗勢(shì)種類自動(dòng)給出推薦的截?cái)嗄埽ㄒ?jiàn)圖4）。

03MatCloud+讓QE結(jié)構(gòu)模型統(tǒng)一

QE輸入文件中結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的獲取需要涉及到模型的搭建、結(jié)構(gòu)文件轉(zhuǎn)換和文件拆分三個(gè)步驟，模型的搭建和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換通常需要借助其它軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，MatCloud+采用了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)導(dǎo)入組件，用戶不需要考慮文件格式，支持批量結(jié)構(gòu)導(dǎo)入，支持導(dǎo)入多種晶體結(jié)構(gòu)文件作為QE的輸入結(jié)構(gòu)。平臺(tái)內(nèi)置的建模組件實(shí)現(xiàn)了大部分結(jié)構(gòu)改性的功能，而MatCloud+即將推出的3D建?？梢宰層脩敉耆珨[脫第三方建模軟件的使用，僅通過(guò)瀏覽器就可實(shí)現(xiàn)模型搭建。

04MatCloud+讓QE計(jì)算作業(yè)提交便捷

在QE本身提交計(jì)算的過(guò)程中，用戶不僅需要購(gòu)買計(jì)算集群，還需要編譯安裝QE、準(zhǔn)備提交腳本等等，這就需要用戶具備一定的Linux語(yǔ)言基礎(chǔ)。MatCloud+直接對(duì)接國(guó)家超算中心，用戶不需要考慮集群和軟件配置環(huán)境的問(wèn)題，搭建好工作流程，選擇超算，點(diǎn)擊提交按鈕就可完成計(jì)算的提交（見(jiàn)前面圖3）。另外，MatCloud+利用自研的拖拽式流程實(shí)現(xiàn)了批量任務(wù)的提交，一次性可以高通量計(jì)算多個(gè)結(jié)構(gòu)的多個(gè)性質(zhì)，整個(gè)工作流程無(wú)需人為操作任何文件，計(jì)算任務(wù)完美銜接，不僅最大化利用了碎片化時(shí)間，也杜絕了由于誤操作導(dǎo)致的各種問(wèn)題。

05MatCloud+讓QE后處理高效

當(dāng)計(jì)算任務(wù)正常結(jié)束之后，傳統(tǒng)情況下，用戶需要利用后處理軟件或腳本自行處理數(shù)據(jù)，處理得到的結(jié)果大多保存在本地電腦或者各大云盤中，數(shù)據(jù)相互之間無(wú)關(guān)聯(lián)，后期想要復(fù)用數(shù)據(jù)難度極大。而MatCloud+不僅可以自動(dòng)提取輸出文件中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，還可以將得到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)自動(dòng)實(shí)時(shí)保存在云端數(shù)據(jù)庫(kù)，在保證了數(shù)據(jù)安全的基礎(chǔ)上，還可以利用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次篩選和復(fù)用（圖5）。

06MatCloud+自動(dòng)形成QE數(shù)據(jù)庫(kù)

QE計(jì)算結(jié)束后，MatCloud+不僅會(huì)自動(dòng)形成QE第一性原理計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)，更可結(jié)合MatCloud+內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫(kù)檢索功能和機(jī)器學(xué)習(xí)，利用模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)背后規(guī)律的挖掘（圖６）。

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MatCloud+支持Quantum ESPRESSO的主要特點(diǎn)

綜上所述，我們可以發(fā)現(xiàn)MatCloud+對(duì)QE的各個(gè)方面都進(jìn)行了極大地改進(jìn)，不僅簡(jiǎn)化了前處理、計(jì)算提交、后處理的過(guò)程，還實(shí)現(xiàn)了QE本身不包含的高通量計(jì)算、作業(yè)監(jiān)控、數(shù)據(jù)入庫(kù)等功能，使QE的上手難度大幅度下降。用戶開(kāi)展第一性原理計(jì)算，不再局限于某商業(yè)化軟件。此次新品QE結(jié)合MatCloud+的優(yōu)勢(shì)，將使用戶操作更簡(jiǎn)單更便捷，具備以下特點(diǎn)：

01操作簡(jiǎn)單，“1”分鐘上手

1.只需網(wǎng)頁(yè)瀏覽器，無(wú)需下載任何軟件，無(wú)需懂Linux,無(wú)需擔(dān)心超算資源 ?2.僅通過(guò)簡(jiǎn)單的拖拽和點(diǎn)選，即可創(chuàng)建具有特定功能的工作流程；3.MatCloud+智能地為每個(gè)參數(shù)設(shè)置了常用的默認(rèn)參數(shù)；4.每個(gè)參數(shù)都提供了參數(shù)說(shuō)明和設(shè)置提示；5.智能生成圖表化的后處理結(jié)果，均支持下載；

02徹底免除版權(quán)的困擾，無(wú)需花錢購(gòu)買軟件許可

商業(yè)化第一性原理計(jì)算軟件，發(fā)文章需要作者具備版權(quán)，且價(jià)格較為昂貴；而QE則不需要考慮版權(quán)問(wèn)題，若用戶擁有私人服務(wù)器或計(jì)算集群，更可以實(shí)現(xiàn)“無(wú)成本”科研。

03可以媲美甚至超出商業(yè)化軟件的功能，進(jìn)行科研或教學(xué)

QE不僅擁有第一性原理計(jì)算幾乎所有的功能，而且包含了一些商業(yè)化軟件所不具備的直接計(jì)算超導(dǎo)計(jì)算，電子順磁共振波譜，紅外光譜，拉曼光譜等功能
我們相信，隨著邁高科技MatCloud+正式支持Quantum ESPRESSO，一定會(huì)有更多的用戶通過(guò)MatCloud+使用Quantum ESPRESSO開(kāi)展第一性原理計(jì)算。MatCloud+為廣大用戶，使用開(kāi)源免費(fèi)的Quantum ESPRESSO、構(gòu)建第一性原理計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)、機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)挖掘等打開(kāi)了一扇大門。用戶開(kāi)展第一性原理計(jì)算，不再局限于商業(yè)化軟件。