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Das quelloffene CP2K gehört weltweit zu den drei meistgenutzten Softwarepaketen zur Simulation des Verhaltens von Atomen und Molekülen. Unter anderem wird es häufig verwendet, um Trainingsdaten für auf künstlicher Intelligenz (KI) beruhende Modelle zu erzeugen, die molekulare Energien und Kräfte ermitteln. Seit seinen Anfängen hat sich das Spektrum der Methoden und Funktionen des Pakets stetig erweitert – auch dank der Beiträge des Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Zusammen mit Fachleuten aus Deutschland, der Schweiz, Großbritannien und Kanada hat das CASUS-Team nun den aktuellen Stand in einem Übersichtsartikel zusammengefasst.
Der im Journal of Physical Chemistry B (DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.5c05851) veröffentlichte Text geht insbesondere auf die praktische Anwendung von CP2K ein und richtet sich damit an neue Anwenderinnen und Anwender aus der theoretischen Chemie, den Materialwissenschaften und angrenzenden Bereichen.
Das CP2K-Paket enthält Anwendungen und Algorithmen zur Simulation des Verhaltens von Atomen und Molekülen auf Basis grundlegender physikalischer Prinzipien (ab initio), also ausschließlich auf dem theoretischen Grundverständnis beruhend und ohne zusätzliche experimentelle Daten oder Messwerte zu benötigen. Die Software beinhaltet klassische und quantenmechanische Ansätze, um sowohl die statischen Eigenschaften als auch das dynamische Verhalten einzelner Atome oder Moleküle in Gasen oder Lösungen sowie großer Kristallgitter oder zweidimensionaler Materialien zu berechnen. „Das Ziel von CP2K ist die Vorhersage gemittelter Eigenschaften, wie sie in der statistischen Mechanik und Thermodynamik auftreten – und das für beliebige Substanzen, die aus wechselwirkenden Elektronen und Kernen bestehen“, sagt Dr. Frederick Stein, einer der Hauptverfasser der Veröffentlichung und Wissenschaftler am CASUS. „Eine Besonderheit von CP2K ist, dass Anwender*innen aus einer Vielzahl verschiedener klassischer und quantenmechanischer Energie- und Kraftmethoden die für ihre Bedürfnisse geeigneten Verfahren auswählen und kombinieren können.“
„Wir konnten in den vergangenen Jahren einen enormen Anstieg des Interesses an CP2K beobachten“, sagt Prof. Thomas D. Kühne, Direktor des CASUS und Leiter des CASUS-Forschungsteams „Theorie komplexer Systeme“. „Wenn ein wissenschaftliches Tool derart gefragt ist, sehen wir uns in der Verantwortung, die Suite zu pflegen und zu erweitern.“ Neben der Implementierung neuer Funktionen, die häufig von der Forschungsgemeinschaft nachgefragt wurden, bietet das CP2K-Team des CASUS auch Unterstützung bei der Anwendung, trägt zu Publikationen über die Verwendung der Software bei, wirbt auf Konferenzen und Workshops für die Software und berät andere Entwicklungsteams bei der Implementierung neuer Funktionen.
In den Materialwissenschaften sind Simulationen ein unverzichtbares Werkzeug, um eine große Anzahl theoretisch möglicher Materialien zu sichten und einige vielversprechende Kandidaten zu identifizieren, die dann experimentell untersucht werden. Diese Art von Simulationen ist jedoch rechenintensiv. Sie erfordert sowohl leistungsstarke Computerhardware als auch Software, die auf die Hardware und die zu berechnende Aufgabenstellung zugeschnitten ist. CP2K-Berechnungen machen seit langem einen erheblichen Teil der Gesamtrechenzeit in vielen großen Supercomputing-Zentren aus. „Die Software ist hochgradig skalierbar und ermöglicht effiziente Berechnungen mit Zehntausenden von Hauptprozessorkernen oder Tausenden von Grafikprozessorkernen gleichzeitig“, sagt Mitautor Dr. Johann Pototschnig, Mitglied des CP2K-Teams des CASUS. „Sie ist auch hinsichtlich der zu simulierenden physikalischen Modelle und ihrer Algorithmen optimiert. So kann sie beispielsweise die Rechenzeit reduzieren, indem man die effizientesten Methoden aus dem klassischen oder quantenmechanischen Bereich auswählt.“
Software stellt für das Training von KI-Modellen erforderliche Daten bereit
CP2K spielt auch eine entscheidende Rolle bei der Erzeugung hochwertiger Daten zur elektronischen Struktur, die für das Training von KI-Modellen in der Teilchenphysik und den Materialwissenschaften verwendet werden. Solche Daten werden hauptsächlich rechnergestützt mit spezialisierten Softwarepaketen wie CP2K erstellt. Daher sind sie eine Voraussetzung für fortschrittliche KI-Methoden im Bereich der theoretischen Chemie und des Materialdesigns.
Darüber hinaus enthält das CP2K-Paket verschiedene KI-Ersatzmodelle: maschinell gelernte Näherungen für rechenintensive Abbildungen, die CP2K sonst explizit berechnen würde. Anstatt bei jedem Schritt das gesamte quantenmechanische Problem zu lösen, liefern diese KI-Ersatzmodelle Näherungsergebnisse zu einem Bruchteil der Rechenkosten. Der Einsatz von KI-Ersatzmodellen innerhalb von CP2K erweitert somit die zugänglichen Zeit- und Längenskalen. Nur dank der Kombination von groß angelegten Simulationen und KI-Modellen können auch komplexe Berechnungen erfolgreich bewältigt werden.
Die Möglichkeit, hochwertige Daten für das Training von KI-Modellen zu erzeugen, ist sicherlich ein Grund für das gestiegene Interesse an CP2K. Interessiert sind vor allem Gruppen von Nutzerinnen und Nutzer, die zuvor keinen Bezug zu CP2K hatten. Der neue Übersichtsartikel soll Neulingen den Einstieg in das komplexe Thema der atomistischen Simulationen im Allgemeinen und deren Durchführung mit CP2K erleichtern. Die Publikation stellt die zugrunde liegenden Methoden vor und behandelt alle Funktionen von CP2K. Im Gegensatz zu anderen Fachartikeln, die sich auf einzelne theoretische oder anwendungsbezogene Aspekte konzentrieren, zielt diese Veröffentlichung speziell auf einen Überblick einschließlich Aspekten für die praktische Anwendung ab. Die Initiative geht auf das CASUS-Team zurück, das viele andere Personen und Gruppen, die zu CP2K beitragen, zur Mitarbeit eingeladen hat.
Dr. Andreas Knüpfer, Leiter des CASUS Scientific Computing Core, sagt: „Diese Veröffentlichung zu CP2K spiegelt die Mission unserer Abteilung wider, mit unserem Fachwissen in der Informatik Spitzenforschung in verschiedenen Bereichen zu unterstützen. Gleichzeitig ist es wichtig, die Ergebnisse zugänglich zu machen und ihren Transfer in andere Fachgebiete und Anwendungsbereiche zu ermöglichen. Letztendlich kommt dies auch CP2K selbst zugute. Denn nur mit einer großen Community, die neue Mitglieder willkommen heißt, kann es seine derzeitige Führungsrolle behaupten.“
Dr. Andreas Knüpfer | Forschungsgruppenleiter
Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) am HZDR
E-Mail: a.knuepfer@hzdr.de
M. Iannuzzi et al.: The CP2K Program Package Made Simple, in The Journal of Physical Chemistry B, 2026 (DOI: 10.1021/acs.jpcb.5c05851)
Zwei übereinander liegende Lagen graphitisches Kohlenstoffnitrid (Kohlenstoffatome in Grau, Sticksto ...
Copyright: J. Pototschnig/CASUS
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wissenschaftler
Chemie, Informationstechnik, Physik / Astronomie, Werkstoffwissenschaften, Wirtschaft
überregional
Forschungs- / Wissenstransfer
Deutsch
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