11دلیل برای اجرای محاسبات علمی در محیط لینوکس/یونیکس

برای اکثر ما آشنایی با کامپیوتر به معنی یادگیری یکی از نسخه های سیستم‌عامل ویندوز و یا سلف آن داس بوده است. حتی برای بسیاری از کاربران کهنه ‌کار این ماشین، کامپیوتر معنایی جز ویندوز ندارد. با اینحال ویندوز تنها سیستم‌عامل موجود برای کامپیوترهای شخصی نیست و نه حتی اولین و یا بهترین آن‌ها است. هرچند ویندوز سیستم‌عاملی کاربر‌پسند با امکانات گرافیکی فوق العاده برای مصارف خانگی و اداری است، اما در دنیای محاسبات تجاری و آکادمیک لینوکس/ یونیکس حکمفرمایی می کند. در این مقاله با هدف ترغیب دانشجویان و اساتید علوم محاسباتی به یادگیری لینوکس/ یونیکس تعدادی از دلایل برتری این پلتفرم نسبت به ویندوز برای انجام محاسبات علمی ذکر شده است.

خطاهای گوسین و روش رفع آنها

گوسین (Gaussian) یکی از پرکاربردترین و کاربرپسندترین نرم‌افزارهای محاسبات کوانتومی است. ساده بودن قالب فایل ورودی و تعیین خودکار بسیاری از پارامترها در این نرم‌افزار سبب شده است که گوسین (Gaussian) گزینه اول پژوهشگرانی باشد که تخصص اصلی آن‌ها روش های محاسباتی نیست. بااین‌حال استفاده از گوسین (Gaussian) به راحتی درست کردن آبگوشت نیست که فقط لازم باشد مواد اولیه را در دیگ بریزیم. انجام محاسبه با این نرم‌افزار اغلب با خطاهایی همراه است که کاربر باید برای رفع آن‌ها چاره اندیشی کند. دشواری استفاده از گوسین (Gaussian) با بروز این خطاها آشکار می‌شود. متن پیام های خطا بسیار خلاصه و اطلاعاتی که پیام های خطا درباره منشاء خطا به کاربر می‌دهد بسیار اندک است.

هر چند تعداد خطاهای گوسین (Gaussian) بسیار زیاد است ولی در این متن سعی شده است تا تعدادی از متداولترین خطاها و روش رفع آن‌ها ارائه شود. لازم به ذکر است که این نوشته یک متن بسته نیست. بنابراین درصورتی‌که با خطاهای خارج از این متن برخورد کرده‌اید می توانید در قسمت دیدگاه ها آن را بیان کنید تا به متن مقاله اضافه شود.

ریستارت کردن محاسبات در گوسین

مکانیک کوانتوم توانایی بسیار بالایی برای پیش‌بینی خواص ساختارهای مولکولی دارد بااین‌حال استفاده از مکانیک کوانتوم برای حل مسائل نیازمند انجام محاسبات پیچیده و پرهزینه‌ است. حجم این محاسبات با افزایش تعداد الکترون‌ها و بزرگ‌تر شدن مجموعه توابع پایه مورداستفاده به‌سرعت و به‌صورت نمایی افزایش می‌یابد. یک محاسبه ساختار الکترونی بر روی ترکیبی با تعداد زیادی اتم ممکن است تا چندین ماه طول بکشد. در طول این مدت به دلایل مختلف ممکن است محاسبه به‌صورت ناتمام قطع شود. چنین حالتی بسیار درد آورد خواهد بود اگر کاربر مجبور باشد چنین محاسبه ای را از ابتدا شروع کند. خوشبختانه در اکثر نرم‌افزارهای محاسباتی تسهیلاتی برای ریستارت کردن محاسبات وجود دارد. با توجه به پرسش‌های بسیاری که درباره ریستارت کردن نرم‌افزار محاسباتی گوسین از من پرسیده شده، تصمیم گرفتم تا در این مقاله به‌صورت اختصاصی به این موضوع بپردازم.

آموزش ساخت فایل ورودی برای نرم‌افزار محاسباتی گمس (GAMESS)

gamess logo

گمس (GAMESS) نرم‌افزاری جامع برای انجام محاسبات کوانتومی است. این نرم‌افزار ازنظر عملکرد شباهت بسیار زیادی به نرم‌افزار گوسین (Gaussian) دارد و اغلب به‌عنوان جایگزین رایگان و غیرتجاری گوسین مطرح می­شود. گمس طیف گسترده‌ای از نظریه‌ها و روش‌های محاسبات ساختار الکترونی را شامل می‌شود و بر روی بسیاری از پلتفرم‌ها قابل‌نصب است. از دیدگاه تاریخی گمس یکی از اولین نرم‌افزارهای محاسبات کوانتومی است که از انحصاری شدن روش‌های محاسباتی توسط شرکت گوسین جلوگیری کرده است. در این متن ابتدا تاریخچه نرم‌افزارهای گوسین و گمس به‌صورت مختصر آورده شده و سپس ساخت فایل ورودی گمس آموزش داده‌شده است.

10 نکته کلیدی برای شروع کار با نرم افزارهای محاسبات کوانتومی

10 points

ذراتی به کوچکی اتمها و مولکولها در دنیایی متفاوت از دنیای ما سیر می کنند. در دنیایی اتم ها و مولکولها قوانین مکانیک نیوتنی عملا کارایی خود را از دست می دهند و قادر به پیش بینی رفتار ذرات نیستند. در این سطح مکانیک کوانتوم جایگزین مکانیک کلاسیک نیوتونی می شود. با وجود تمام انتقاداتی که به نظریه کوانتومی وارد شده، این نظریه قدرت و دقت بالایی در پیش بینی رفتار اتمها و مولکولها دارد و تقریبا تمام دانش امروزی ما درباره این ذرات مرهون نظریه کوانتومی است. روش های محاسبات کوانتومی یا روش های ساختار الکترونی (Electronic Structure) به روش هایی گفته می شود که چهارچوب اصلی آنها قوانین مکانیک کوانتوم است. این روش ها شامل طیف گسترده ای از نظریه های محاسباتی می شوند با این حال برپایه مفاهیم مشترکی بنا شده اند. محاسبات کوانتومی برای اغلب محققان تازه کار که اطلاع درستی از این مفاهیم پایه ندارند گیج کننده است. اغلب این افراد ایده درستی در این باره ندارند که چگونه می توانند از نرم افزارهای محاسبات کوانتومی استفاده کنند. بحث درباره مفاهیم پایه محاسبات کوانتومی خارج از توان این متن است با این حال در این مقاله چند نکته کلیدی ارائه شده است. این نکات می توانند راهگشای محققان تازه کار برای استفاده از نرم افزارهای محاسبات کوانتومی باشند.

آموزش ساخت ورودی برای نرم افزار محاسباتی ان دابلیو کم (NWChem)

NWChem logo

در مقاله قبل فایل ورودی نرم افزار Gaussian  معرفی و بخشهای مختلف آن توضیح داده شد. علاوه بر Gaussian نرم افزارهای محاسباتی دیگری نیز وجود دارند که هر کدام دارای مزایای خاص خود هستند. با این وجود این نرم افزارها در ایران کمتر شناخته شده اند و بسیار کم مورد استفاده قرار می گیرند. یکی از این نرم افزارها که جزء بهترین نرم افزارهای محاسباتی دنیاست نرم افزار NWChem است. NWChem نرم افزاری است که با هدف فراهم کردن ابزارهای محاسباتی در زمینه های شیمی، بیوشیمی و فیزیک حالت جامد ایجاد شده است. این نرم افزار که در آزمایشگاه ملی پاسفیک نورث وست (PNNL) وابسته به دپارتمان انرژی ایالات متحده توسعه یافته، قابلیت حل مسائل علمی بزرگ و استفاده بهینه از منابع سخت افزاری بزرگ مانند کلاسترها و ابررایانه ها را دارد.

به صورت خلاصه NWChem توانایی انجام انواع محاسبات کوانتومی، کلاسیکی، روش های ترکیبی، انواع شبیه سازی های دینامیک مولکولی و آثار نسبیتی را دارد. این روش ها روی طیف گسترده ای از ساختارها شامل مولکولهای زیستی، نانو ساختارها و مواد حالت جامد در حالات پایه و برانگیخته قابل اعمال اند. همچنین طیف بسیار بزرگی از توابع پایه شامل انواع توابع گوسی شکل و موج مسطح در این نرم افزار قابل دسترس هستند.

همانطور که در مقاله قبل گفته شد، اولین مرحله برای انجام یک محاسبه علمی ساخت فایل ورودی است. در این مقاله معماری و قالب (فرمت) فایل ورودی نرم افزار NWChem معرفی خواهد شد.

آموزش ساخت ورودی برای نرم افزار محاسباتی گوسین

نرم افزارهای محاسبات علمی به رغم اینکه بسیار پیچیده و متشکل از هزاران خط کد هستند، ظاهر بسیار ساده ای دارند. برخلاف بسیاری از نرم افزارهای متداول مانند نرم افزارهای آفیس، نرم افزارهای طراحی، فتوشاپ و غیره که از تعداد زیادی منو و دکمه تشکیل شده اند، نرم افزارهای محاسباتی فاقد رابط گرافیکی اند (و یا دارای رابط گرافیکی بسیار ساده در برخی از پلت فرمها هستند). تنظیمات و اطلاعات مورد نیاز این نرم افزارها نه از طریق رابط گرافیکی بلکه به وسیله یک فایل ساده متنی به این نرم افزارها منتقل می شود.به صورت کلی انجام یک محاسبه علمی را می توان به سه مرحله تقسیم کرد: 1) ساخت فایل ورودی 2) اجرای دستور محاسبه 3) تفسیر فایل خروجی.فایل ورودی برای هر نرم افزاری دارای قالب (فرمت) خاص خود است و از کلمات کلیدی خاصی تشکیل شده است که به نرم افزار می گوید: برای چه ساختاری، چه محاسبه ای، و به چه نحوی انجام دهد.

در این مقاله و چند مقاله آتی قالب فایل ورودی نرم افزارهای محاسباتی مختلف معرفی خواهد شد. در اولین مقاله از این سری از مقالات ابتدا به سراغ متداول ترین نرم افزار محاسباتی (Gaussian 09)خواهیم رفت.

g09 input