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태조 제
5 years ago
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1 ,.. 86,400 (core).,. Smart phone,, ,... smart phone 10 (nanotransistors, )... 5 Exaflops (10 18 flops) (Table 1).,, (mechanical calculator), (punch card),, (super computer), (cluster computer), (Table 2).,,, (molecular dynamics, MD), (quantum mechanics)., Table 2,,,. (keyboard science), (click science). 10..,. Transcendence (Fig. 1). MATLAB, LAMMPS, VASP 5

2 Table 1. TOP 5 sites of Supercomputers for November ) Table 2. Typical software Packages in Science and Engineering 2) 6

3 Fig. 1. An adopted scene from the movie Transcendence.. Fig. 2 (tools). Excel spread sheet..,. Fig. 2. Typical tools for computational materials science....,.,. MATLAB.,., Windows MATLAB,., MATLAB MATLAB,,,,. MATLAB MATrix LABoratory, (matrix, ).., (scalar) 1 11, 5 (row vector) 15. (high-level).,. 7

Fig. 3. Radial probability density of an H atom run by MAT- LAB. (interactive). MATLAB.. MATLAB,, 4p-MOR(4- point modulus of rupture),.. 2.2. MATLAB MATLAB 3). schrodinger 50, 1. VASP DFT. hatom.

4 Fig. 3. Radial probability density of an H atom run by MAT- LAB. (interactive). MATLAB.. MATLAB,, 4p-MOR(4- point modulus of rupture), MATLAB MATLAB 3). schrodinger 50, 1. VASP DFT. hatom.m H (probability density) (Fig. 3) (numerically) LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) (molecular dynamics, MD) N /, Newton (, evolution), (static properties) (dynamic properties)..,.. MD,,, Sandia, LAMMPS 4) LINUX/Windows /, LAMMPS Instron. Fig. 4Si-CNT (carbon nanotube) LAMMPS. 5) :,, 8

(matrix; Si, reinforcing material; CNT).

5. Examples of two worlds in one. Fig. 6.

5 Fig. 4. Fracture of Si-CNT composite system by MD simulation (matrix; Si, reinforcing material; CNT). (slip plane) CNT Si-CNT (keyboard science) Fig. 5 QR reader application,., Fig. 6. Bohr, Schrödinger, Heisenberg, Kohn Sham (Fig. 7).,.,. Fig. 5. Examples of two worlds in one. Fig. 6. Two worlds in one: The underlying quantum world was recognized ~250 years after the classical world. 6) Fig. 7. People who made the computational materials science possible. 7).. VASP VASP. 9

6 4.2. VASP DFT (density functional theory) (Table 3).,,, (upgrade), (forum) VASP (vienna ab initio Simulation Package). 8). Schrödinger, DFTKohn, VASP Kresse Hafner (1994) Kresse Furthmüller (1996), Wien2K Blaha Schwarz 1. VASP. VASP PC. (input flags)., VASP. VASP : (electronic relaxation) (ionic relaxation) (ground-state energy) (total energies, barrier energies, band structures, density of states, phonon spectra, etc.),, (cluster),,, (interface) (valence electrons) ~4,000 KS (KS orbitals) (plane wave basis set) (real lattice) (reciprocal lattice) FFT (fast Fourier transformations),, INPUT 70 (default) 1 (E xc) GGA/PBE, +U, (hybrid HSE06) GW, van der Waals Table 3. Various DFT Codes 7) Fig. 8. Flow of VASP. 7) 10

7 재료의 전산과학 어디까지 왔나? 것이 일반적임 전자의 수도 퍼텐셜 (pseudo-potentials, PP)은 데이 터베이스로 마련된 PAW (Blöchl 1994)를 쓰는 것 이 일반적임 VASP의 계산흐름은 전자에너지의 최소화 (electronic relaxation)와 이온에너지의 최소화 (ionic relaxation)가 반복적으로 돌아가면서 시스템의 바닥에너지 (groundstate energy)를 Fig. 8과 같이 찾아가는 것이다 대형 벌크 시스템의 계산 예들 VASP 계산에서 컴퓨터의 계산능력과 관련하여 두 가 지 주목할 만한 사건들을 소개하고자 한다. 하나는 2013 Fig. 9. GaAs supercell with Si dopants in random positions, and a big void in the middle (5898 atoms, electrons, and about bands). 년 일본 RIKEN의 Yukihiro Hasegawa 등이 Si nanowire 를 차세대 FET (field-effect transistors)로 응용하는 데 때 MD 프로그램인 LAMMPS로 개 원자 (Si 있어서 RSDFT (real-space density functional theory)를 개 + CNT 1120 개)를 다루었다. 그 때 파일 옮기기도 9) 바탕으로 K 컴퓨터 상에서 전산모사를 한 것이다. 이들 귀찮고 해서 클러스터를 쓰지도 않고 저자의 4-core짜리 은 107,292 원자로 된 Si nanowire (diameter of nm) 노트북에서 그냥 돌렸다. 그러나 VASP으로는 108 개 를 대상으로 82,944 개 노드 (nodes)를 동원하여 계산속 원자를 다룬 것이 가장 큰 시스템이었고, 8 cores x 8 15 도 5.48 petaflops (10 flops)를 기록했다. 비록 벤치마 nodes = 64 cores를 동원한 것이 고작이었다. 이제는 킹이 주목적이긴 했지만, 양자역학 계산에서 끝도 없이 VASP으로도 수만 개 원자를 다루는 것이 현실이 된 셈 올라가는 컴퓨터의 계산능력을 잘 보여주는 대목이다. 이다. 이렇게 되면 위의 도핑된 시스템과 같이 1% 이하 또 하나는 역시 벤치마킹이 주목적이었지만, 2014년 의 원자 농도가 있더라도 주기경계조건 (periodic bound- 스웨덴 National Supercomputer Centre at Linköping ary conditions)을 만족하면서 시뮬레이션이 가능하다는 10) University의 Peter Larsson 이 VASP을 9,216 개 코어 얘기가 된다. 날로 전산모사 시스템이 커져가고 그 계산 에서 효율적으로 돌린 사실이다. 이때까지 계산효율 면 속도도 빨라진다 하지만 참으로 놀라지 않을 수 없는 일 에서 64 코어가 최대라고 알아왔는데, 이 기정사실을 완 이다. 전히 깨어버린 것이다. 그는 수퍼셀 (supercell)이 충분히 크기만 하다면 (> one atom per core) 수천 개의 코어들을 4.4. GaAs nanowire의 성장 메커니즘 전산모사 예 한데 묶어 대량병행계산을 하는 데 효율 면에서 아무런 결정성장과 같이 대형 슈퍼셀이 필요한 전산모사는 얼 문제가 없다는 것을 데모해 보였다. 물론 이런 대량병행 마 전만 해도 MD바탕의 LAMMPS 등으로만 가능한 계 계산이 늘 필요한 것은 아니지만, Si이 도핑된 5898 개 산이었다. 이제는 전혀 그렇지 않다. Pankoke 등은 512- 원자의 GaAs에는 반드시 필요한 부분이다 (Fig. 9). 또, 원자 수퍼셀을 대상으로 열전재료와 태양전지 재료의 후 그는 대량병행계산에서 대부분의 계산시간 (~90%)이 전 보물질인 GaAs 나노와이어의 성장 메커니즘을 DFT 바 2 2 자에너지의 최소화 (N 또는 N logn에 비례, N = 전자수) 11) 탕의 전산모사를 통해 밝혔다 (Fig. 10). 가 아니라 Kohn-Sham 궤도들의 대각화 (orthogonaliza3 tion, N 에 비례)에 소요된다는 것도 밝혔다. 저자는 Fig. 4의 Si-CNT 복합재료의 전산모사를 할 제18권 제1호, 2015년 3월 11

Fig. 10. Growth mechanism of GaAs nanowire by first-principles modeling.. GUI (graphical user interface). VASP GUI,.

13) VASP, LAMMPS, Phonon, Surfaces, Interfaces, Nanotubes, Amorphous Materials, Trasition State Search., (Fig.

statistical, analytical, crystallization ).

8 Fig. 10. Growth mechanism of GaAs nanowire by first-principles modeling.. GUI (graphical user interface). VASP GUI,.,., VASP. Fig. 11. Typical images of Materials Studio MedeA; GUI (GUI Package), Materials Studio, MedeA. 13) VASP, LAMMPS, Phonon, Surfaces, Interfaces, Nanotubes, Amorphous Materials, Trasition State Search., (Fig. 12), (, phonon, 5.1. Materials Studio; GUI (GUI Package) Materials Studio,,,, (quantum, atomistic, mesoscale, statistical, analytical, crystallization ). 12) DFT methods (CASTEP ), linear scaling DFT methods, QM/MM methods, semiempirical methods, MD, lattice dynamics, Monte Carlo based methods, forcefields methods (Fig. 11). Fig. 12. Image from an input window of MedeA. 12

14.15) Genome, Predicting, Discovery, Computational screening, Opportunities and challenges, High-Throughput,

cif file is available). Fig. 15. An example of Materials Project database; Structure of Mg2Mo3S4 from the *.

9 profile, potential profile, NEB profile ). VASP Excel Origin ~ Materials Project; Big Data Materials Project,. Web. 10, ~ (big Data).. 4 (Fig. 13).. Materials Project Genome ) Genome, Predicting, Discovery, Computational screening, Opportunities and challenges, High-Throughput, New Family,. (barrier energy), phonon Fig. 14. An example of Materials Project database; Mg2Mo3S4 (Note *.cif file is available). Fig. 15. An example of Materials Project database; Structure of Mg2Mo3S4 from the *.cif file. Fig. 13. Counts of database on Materials Project. Fig. 16. An example of Materials Project database; band structure and DOS of Mg2Mo3S4. 13

10 Fig. 17. An example of Materials Project database; VASP INCAR file for the electronic structure calculation of Mg2Mo3S4.. 2 Mg 2Mo 3S 4 (Fig ) ; KIST/ 2 KIST 2.,,, (virtual fab). MD HTML5.. LAMMPS Siesta. 14

. http://icsd.kisti.re.kr/first.jsp; http://www.crystallography.net; http://rruff.geo.arizona.edu/ams/amcsd.php; VESTA; (VASP/POS CAR, CONTCAR )(VASP/CHG- CAR, LOCPOT ) http://www.geocities.

11 VESTA; (VASP/POS CAR, CONTCAR )(VASP/CHG- CAR, LOCPOT ) VMD; (VASP /vasprun.xml, XDATCAR ) Atomeye;, nanahub; NSF Online, 30, 40~50, Introduction to the Materials Science of Rechargeable Batteries ATK (Atomistix ToolKit); GUI VASP, Abinit electronic transport Slater??... smart phone K- pop golf httms.org/pubs/journals/jom/0910/thornton-0910.html B.-H. Kim et al., Effects of Interfacial Bonding in the Sicarbon Nanotube Nanocomposite: A Molecular Dynamics Approach, J. Appl. Phys., , (2012) J. G. Lee, Computational Materials Science: An Introduction, Taylor and Francis Group, LLC, 280 pp, (2011) Y. Hasegawa et al., Performance Evaluation of Ultra-largescale First-principles Electronic Structure Calculation code on the K-computer, Int. J. High Performance Comp. Appl., 28 [3], , (2014) P. Volker et al., Calculation of the Diameter-dependent Polytypism in GaAs Nanowires from an Atomic Motif Expansion of the Formation Energy, Phys. Rev. B, 84, , (2011) (a) (b) www. kwenc.kr 14. A. Jain, S.P. Ong, G. Hautier, W. Chen, W.D. Richards, S. Dacek, S. Cholia, D. Gunter, D. Skinner, G. Ceder, and K.A. Persson, The Materials Project: A Materials Genome Approach to Accelerating Materials Innovation, Appl. Phys. Lett. Mat., 1, , (2013)

example code are examined in this stage The low pressure pressurizer reactor trip module of the Plant Protection System was programmed as subject for

example code are examined in this stage The low pressure pressurizer reactor trip module of the Plant Protection System was programmed as subject for 2003 Development of the Software Generation Method using Model Driven Software Engineering Tool,,,,, Hoon-Seon Chang, Jae-Cheon Jung, Jae-Hack Kim Hee-Hwan Han, Do-Yeon Kim, Young-Woo Chang Wang Sik, Moon