AMADEUS [컴퓨터 프로그램] by 바죠

지난 3년간 개발한 컴퓨터 프로그램 관련 논문이 게재되지 직전에 in press  상태에 있다. 아래의 URL에서와 같이 정식 출간 직전에 있다.
개발한 컴퓨터 프로그램 이름은 AMADEUS 이다.
Ab initio materials design using conformational space annealing의 약자로 만들어 졌다.
'신의 사랑'을 의미한다.
잘 알려진 것처럼 아마데우스는 오스트리아 사람, 볼프강 아마데우스 모차르트에서 처럼 작곡가의 중간 이름이다.

제일원리 물질 설계 프로토콜이다. 전통적인 전자구조 계산은 알려진 결정구조에 대한 전자구조 계산을 의미한다. 역방향 전자구조 계산은 전자구조의 특징을 먼저 정의하고 해당 결정구조를 찾는 방식이다. 여기에는 전자구조가 우리가 원하는 물성을 잘 표현한다는 가정이 있다. 아울러, 제일원리 전자구조 계산 결과가 신뢰할 수 있는 수준의 것이라는 가정이 있다. 

결정구조 --> 전자구조 --> 정량적 물성 또는 성능지수 --> 목적함수

목적함수를 최소화 시키는 결정구조 찾는 문제로 귀결된다. 

성능지수를 최적화시킬 수 있는 결정구조를 찾는 문제, 역방향 설계이다. 이 경우, 다수의 해가 존재할 수 있다. 

특정 물성을 목적함수로 표현하고 목적함수(objective function)가 광역 최적화(global optimization)되는 안정한 결정구조를 수치적으로 찾는것이다. 목적함수 값은 제일원리 전자구조 계산을 통해서 계산한다. 주어진 외부 압력하에서 매번 새로운 결정 구조를 가정하고 힘, 스트레스를 완전히 이완시킨다. 즉, 엔탈피 최적화를 수행한다. 그 다음 결정 구조에 대한 전자구조 계산을 연속적으로 수행한다. 얻어진 전자구조로 부터 목적함수를 계산하여 반환한다. 얻어진 목적함수는 광역 최적화 작업에 이용된다.아울러 얻어진 결정 구조가 광역 최적화 작업에 동시에 이용된다. 예를 들면, 교차 또는 변이에 이용되게 된다.   

AMADEUS 프로토콜에서는 광역 최적화 방법 중 하나인 CSA (Conformational Space Annelaing) 방법을 활용한다. 제일원리 전자구조 계산 방법으로는 VASP 프로그램을 이용한다. 안정한 결정 구조(a, b, c, alpha, beta, gamma, {RI} )를 답안으로 제시한다.  미리 선정한 특정한 물성을 최적화하는 안정한 구조를 찾는다. 즉, 목적함수를 최적화한다. 제일원리 전자구조 계산은 MPI를 활용한 병렬 계산 방식으로 수행한다. (InfiniBand 를 활용하는 방식이다. 고속의 통신을 활용하는 방식) 독립적인 제일원리 계산(결정구조 최적화, 전자구조 계산)이 병렬적으로 수행된다. AMADEUS 계산은 parallel-in-parallel 로 수행된다. 제일원리 전자구조계산들이 여러 디렉토리들에서 동시에 수행된다. 결국, 전체 계산은 초고도 병렬계산이 된다. 얼마든지 많은 컴퓨터들이 동시에 사용될 수 있다.

AMADEUS 내부에서는 CSA 알고리듬과 제일원리 전자구조 계산은 잘 분리가 되어 있다. 제일원리 계산은 쉘 스크립트 양식으로 독립적으로 제출된다. 제일원리 계산은 독립적인 별도의 디렉토리에서 진행된다. 전자구조 계산은 MPI 기반 병렬계산 방식으로 수행된다. 결정의 물성 계산은 이 독립적인 전자구조 계산에서 이루어진다. 우선 안정한 결정 구조를 국소 최적화 방법으로 얻어낸다. 스트레스, 힘을 계산한다. 얻어진 결정 구조에 대한 전자구조 계산을 수행한다. 이러한 전자구조 계산으로부터 원하는 물성을 얻어낸다. 원하는 물성을 간단한 함수로 표시할 수 있다. 예를 들어, 원하는 함수값이 더 낮을수록 물성이 극대화되게 할 수 있다. 이러한 함수를 목적 함수라고 부른다. 목적함수를  최소화하는 방식으로 계산이 진행된다. 이 떄, 광역 최적화 기법 CSA 방법이 사용된다.

o 직접 밴드갭(direct band gap)을 가지는 실리콘 결정 구조 찾기 (고효율 태양전지 소재)
o 직접 밴드갭을 가지는 탄소 결정 구조 찾기 (고효율 심자외선 발광다이오드 소재)
o 위상학적 마디선을 가지는 탄소 동소체 찾기 (고 이동도 물질, 위상물질)
o 상압/고압에서 안정한 결정 구조 찾기 (boron 동소체, blue-phosphorus와 black-phosphorus 구조의 조합, 새로운 고이동도 소재 결정구조 green-phosphorus, 두께 변화에 따른 밴드갭의 변화 추적 가능한 물질)
o 2차원 결정 구조 찾기 (boron Kagome lattice, two-dimensional)
o 초전도 특성을 가지는 실리콘 동소체 찾기

CSA 방법: http://incredible.egloos.com/6208916
유전 알고리듬을 활용한다. (변이와 교차를 활용한다.)
국소 최적화 알고리듬을 활용한다. (LBFGS 같은 방법을 활용한다. 힘, 스트레스를 이완시킨다.)
결정구조의 다양성을 확보할 수 있는 장치를 사용하고 해당 파리메터를 조절한다. (두 결정구조 사이의 차이를 나타내는 거리를 정의한다. 이 거리를 이용하여 보다 더 다양한 해를 구한다.)
또한, AudioSlides라고 5분 분량을 지원한다고 해서, 4분56초짜리 자료를 만들었다.
이 자료는 저널 웹페이지에서, 해당 논문 바로 옆에 붙여서 출판된다고 한다.
http://audioslides.elsevier.com//ViewerLarge.aspx?source=1&doi=10.1016/j.cpc.2016.02.011
http://audioslides.elsevier.com//ViewerSmall.aspx?source=1&doi=10.1016/j.cpc.2016.02.011
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010465516300261
http://incredible.egloos.com/6208916
http://webzine.kps.or.kr/contents/data/webzine/webzine/15088273131.pdf

CSA 알고리듬은 광역 최적화(global optimization) 알고리듬으로 레너드-존스 클러스터 시스템의 안정한 구조, 단백질 구조예측, 커뮤니티 분류, 외판원 문제, 최소 거리 경로 계산 등 다방면에서 활용되어 온 고유의 컴퓨터 알고리듬임.

기존에 개발된 CSA 알고리듬을 제일원리 전자구조 계산과 결합하여 결정구조 설계와 탐색에 활용한 것이 AMADEUS 프로토콜임. 초고도 병렬 계산이 가능함. 즉, 제일원리 전자구조 계산들이 병렬 계산으로 수행됨. 이에 아울러 다수의 독립적인 제일원리 전자구조 계산들이 여러 개의 독립적인 디렉토리에서 동시에 수행됨. 독립적인 제일원리 계산은 특정한 디렉토리에서 계산이 진행된다. 이 때, 병렬 계산을 통해서 제일원리 계산이 진행된다. 결국, 여러 디렉토리들에서 제일원리 계산들이 동시에 수행되기 때문에, 최종적으로른 초고도 병렬 계산이 수행되는 것이다. 보다 더 많은 CPU가 보강되면 더 큰 크기의 병렬 계산이 수행될 수 있다. 즉, 계산자원 증가에 대한 확장성을 프로그램이 가지고 있다는 것이다.

사실, 병렬 효율성은 더욱더 극대화 된다. 초고도 병렬 계산이 가능해진다. 사실, 제일원리 계산이 지금처럼 충분히 빠르게 실행되지 않는다면, 이러한 계산은 현실성이 없다. 매우 많은 결정구조들에 대한 제일원리 계산을 동시에 수행할 수 없으면 원하는 결정구조를 찾는 목적함수의 광역 최적화 계산 수행은 불가능하다.

소재게놈 (Materials Genome) 특집, 물리학과 첨단기술:
http://webzine.kps.or.kr/contents/data/webzine/webzine/15088273131.pdf
http://webzine.kps.or.kr/contents/data/webzine/webzine/15211841581.pdf

역방향 제일원리 전자구조 계산 프로토콜은 conformational space annealing (CSA)이라고 불리 우는 알고리듬을 결정구조 예측에 적용. 2016년 해당 프로그램을 AMADEUS(Ab initio MAterials DEsign Using cSa)라고 명명하고 해당 알고리듬을 논문으로 보고함.

CSA 알고리듬은 2003년 고등과학원, 표준과학연구원에서 개발된 광역 최적화(global optimization) 알고리듬으로 레너드-존스 클러스터 시스템의 안정한 구조, 단백질 구조예측, 커뮤니티 분류, 외판원 문제, 최소 거리 경로 계산 등 다방면에서 활용되어 온 고유의 컴퓨터 알고리듬임. 기존에 개발된 CSA 알고리듬을 제일원리 전자구조 계산과 결합하여 결정구조 설계와 탐색에 활용한 것이 AMADEUS 프로토콜임. 초고도 병렬 계산이 가능함. 즉, 제일원리 전자구조 계산들이 병렬 계산으로 수행됨. 이에 아울러 다수의 독립적인 제일원리 전자구조 계산들이 여러 개의 독립적인 디렉토리에서 동시에 수행됨

역방향 제일원리 전자구조 계산은 최근 활발히 연구되고 있는 결정 구조 탐색 또는 설계 방법임. 2011년 미국의 MGI(Materials Genome Initiative) 선언 이후 많은 연구가 수행됨. 소재의 물성을 먼저 정의하고 이에 해당하는 최적화된 결정구조를 제일원리 전자구조 특성화 작업과 광역 최적화 (global optimization) 작업으로 설계/탐색. Zunger 그룹, Oganov 그룹 (USPEX), Ma 그룹 (CALYPSO), R. G. Hennig 그룹 (GASP), A. Kolmogorov 그룹 (MAISE), S. Goedecker 그룹 (Minima-Hopping), E. Zurek 그룹 (XtalOP) 등 많은 방법론들이 추가로 개발됨. 아울러 의미 있는 재료 설계와 탐색 연구가 전 세계적으로 수행됨. 최근 그 응용의 폭이 폭발적으로 증대되고 있음. USPEX, CALYPSO 같은 역방향 제일원리 전자구조 프로토콜이 국제적으로 널리 보급됨.




We calculated the imaginary part of the dielectric function ϵ2(ω) by solving the Bethe–Salpeter equation (BSE) together with quasiparticle G0W0 approximation.
Editors' Suggestion, PRL's Cover

Self-encapsulation of silicene in cubic diamond silicon: Topological semimetal in covalent bonding networks 


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덧글

  • 필군 2016/03/03 12:32 #

    CPC에 출간하시는 군요. 축하드립니다. 작년에 applied mechanics가지고 보낸적이 있는데, 에디터가 직접 빠꾸 시키더군요.
  • 바죠 2016/03/03 13:52 #

    감사합니다.
    저널에서 "빠구"는 자주 있는 일입니다.
    너무 신경쓰실 일은 아닌것 같습니다.
    저 논문도 다른 저널들에서 말씀하신 것처럼 에디터 선에서 거절 당한 적이 있었습니다.
  • 바죠 2017/12/01 09:35 #

  • 2018/01/19 11:16 # 비공개

    비공개 덧글입니다.
  • 바죠 2018/04/09 10:20 #

    AIRSS :
    https://www.mtg.msm.cam.ac.uk/Codes/AIRSS
  • 2018/05/01 17:27 # 비공개

    비공개 덧글입니다.
  • 바죠 2018/05/05 09:26 # 삭제

    space group lecture:

    https://www.youtube.com/watch?v=NaRjGfq19GE
  • 바죠 2018/05/06 11:24 #


    crystal structure prediction:
    https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ct500621v

    ML-AIRSS:
    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cphc.201700151
  • 2018/09/10 07:05 # 비공개

    비공개 덧글입니다.
  • 2018/10/10 07:56 # 비공개

    비공개 덧글입니다.
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