CP2K

CP2K是一個以GPL授權、可自由取得的量子化學和固態物理程式套件，使用Fortran 2008編寫，用於對固態、液態、分子、週期性、材料、晶體和生物系統進行原子級模擬。它為不同的計算方法提供了一個通用框架：使用混合高斯和平面波方法 (GPW) 的密度泛函理論 (DFT)，可透過、廣義梯度近似 (GGA)、 或 等理論層級；經典對勢和多體勢；半 empirical 方法 (、、、MNDOd、PM6) 和緊束縛哈密頓量；以及依賴靜電潛能高斯展開 (GEEP) 的量子力學/分子力學 (QM/MM) 混合方案。高斯與擴增平面波方法 (GAPW) 作為 GPW 方法的擴展，允許進行全電子計算。CP2K 可以進行分子動力學、元動力學 (metadynamics)、蒙地卡羅、艾倫費斯特動力學 (Ehrenfest dynamics)、振動分析、核心能階光譜學、能量最小化以及使用微擾彈性帶 (NEB) 或二聚體 (dimer) 方法的過渡態優化。

CP2K為Vim和Emacs編輯器提供語法高亮外掛程式，以及其他用於輸入產生和輸出處理的工具。

歷史與重要里程碑
CP2K 專案始於 2000 年，由Jürg Hutter（蘇黎世大學）和Michele Parrinello（當時在蘇黎世聯邦理工學院）領導的團隊將兩套獨立程式碼合併：Parrinello 團隊針對從頭算分子動力學的程式與Hutter 團隊處理週期性DFT計算的程式。其核心包括Quickstep（GPW∕GAPW 電子結構計算）與FIST（經典分子力學及 QM/MM）。

重要里程碑：

• 早期發展與 GPW 方法：奠定高效 高斯平面波 (GPW) 基礎。
• 線性標度演算法：使成本隨系統大小呈線性擴展，支援大規模模擬。
• QM/MM 方法：推出高效耦合方案，可模擬大型生物或溶液反應。
• 擴充理論方法：整合 MP2、RPA、半經驗與緊束縛等高階方法。
• GPU 加速：對部分關鍵模組加入 NVIDIA CUDA 與 AMD HIP 支援。
• 社群開發：活躍的國際開源社群與 CP2K 基金會持續推動功能增強。

主要特性與功能
;核心演算法與方法

• 密度泛函理論 (DFT)

** 高斯平面波 (GPW)
** 高斯擴增平面波 (GAPW)
** 軌道轉換 (OT) 優化

• 波函數理論方法

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** GW 近似（部分實現）

• 半經驗與緊束縛方法

** 、、、MNDOd、PM6
** DFTB（密度泛函緊束縛）

• 經典力場：支援多種常用力場

;支援的計算類型

• 分子動力學（BOMD、、艾倫費斯特、路徑積分等）
• 元動力學與其他增強取樣
• 蒙地卡羅模擬
• 幾何優化、過渡態搜尋（NEB、Dimer）
• 振動分析、光譜性質（NMR、XAS）
• 電子密度、能帶結構等

;多尺度模擬

• 高效 QM/MM（GEEP 靜電耦合、機械嵌入）

;效能與平行計算

• 線性標度演算法
• 混合 MPI+OpenMP 平行化
• GPU 加速（CUDA、HIP）
• 整合 ScaLAPACK、ELPA、LibXC 等高效數學庫

應用領域

• 材料科學：催化、表面科學、奈米材料、電池材料、固態物理
• 化學：反應機理、光譜學、溶液化學、分子團簇
• 生物物理與生物化學：大分子模擬、酶催化、藥物設計
• 物理學：凝聚態物理、高壓物理
• 地球科學：礦物物理、地球化學過程

參見
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*計算化學
*分子動力學
*蒙地卡羅演算法
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*量子化學
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*密度泛函理論
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*緊束縛模型
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主要論文
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外部連結

• [https://www.cp2k.org/gpw CP2K GPW 方法介紹]
• [https://www.cp2k.org/_media/events:2019_ghent:gpw.pdf CP2K GPW 方法 PDF（2019 Ghent 会议）]
• [http://www.cp2k.org CP2K 官方網站]
• [https://groups.google.com/group/cp2k 使用者論壇]
• [https://web.archive.org/web/20160303165755/http://www.cecam.org/workshop-273.html 第一次 CP2K 教學：在 MD 模擬中釋放想像的力量]
• [https://web.archive.org/web/20150923201432/http://www.cecam.org/workshop-529.html 第二次 CP2K 教學：在 MD 模擬中釋放想像的力量]
• [https://pc2.uni-paderborn.de/teaching/trainings/cp2k-tutorial/ CP2K 使用者教學：「計算光譜學」]
• [http://www.biomolecular-modeling.com/Products.html Ascalaph，一個用於 CP2K 和其他量子化學軟體的第三方圖形化介面]

參考資料