近年來，發(fā)展具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的計(jì)算化學(xué)軟件的建議得到了廣大理論計(jì)算化學(xué)同行和國家自然科學(xué)基金委（以下簡稱“基金委”）的重視。

?

我國近年來在理論與計(jì)算化學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)展迅速，無論從研究隊(duì)伍的規(guī)模、研究基礎(chǔ)，還是相關(guān)領(lǐng)域經(jīng)費(fèi)投入的強(qiáng)度來看，發(fā)展國內(nèi)計(jì)算化學(xué)軟件平臺不僅條件已經(jīng)成熟， 而且對于我國理論化學(xué)的長遠(yuǎn)發(fā)展十分必要。

我們很高興地看到，“計(jì)算化學(xué)軟件平臺就是理論化學(xué)家從事科研工作的儀器”這一觀點(diǎn)正逐漸得到基金管理部門和相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业钠毡檎J(rèn)同。通用計(jì)算程序軟件平臺的建設(shè)是一項(xiàng)艱巨而復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

以我們較熟悉的分子動力學(xué)模擬軟件Gromace和 NAMD為例，Gromace軟件包從1991年開始開發(fā)，在 2001年３.０版本發(fā)布之后才得到廣泛的重視。

?

該軟件包目前程序代碼總共一百多萬行，至今還在不斷發(fā)展完善。其發(fā)展得到歐洲科學(xué)基金會、荷蘭與瑞典等國的研究機(jī)構(gòu)， 以及NVIDIA等公司的資助，根據(jù)代碼行數(shù)粗略估計(jì) 需要花費(fèi)兩千萬美元。NAMD主要是在NIT的長期支持下，由伊利諾伊大學(xué)并行計(jì)算實(shí)驗(yàn)室和NIT的理論與計(jì)算生物物理組合作開發(fā)。

一些大型的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件如Gaussian等， 其不斷發(fā)展和完善更是有幾十年的歷史。Gaussian最早的版本Gaussian 70在1970年發(fā)布，只能用小基組進(jìn)行Hartree Fock計(jì)算，總代碼只有１萬多行。?

?

隨后，Gaussian公司對其不斷地改進(jìn)，優(yōu)化，增加新功能并開發(fā)配套的結(jié)果分析工具，先后共發(fā)布了14個版本，這才使其成為用戶最多的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件之一。

?

另一種適用于材料體系的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件VASP，從MIT的Mike Payne開發(fā)的最初程序到功能強(qiáng)大的VASP 5X也是經(jīng)歷了長達(dá)15年的時(shí)間。因此，與儀器研制項(xiàng)目類似，這些大型軟件的開發(fā)，離開長期穩(wěn)定的支持是不可能的。

與穩(wěn)定的經(jīng)費(fèi)支持相對應(yīng)，核心骨干團(tuán)隊(duì)長期的專注和投入同樣必不可少。不僅在計(jì)算軟件發(fā)展的初期需要投入大量的精力，建立軟件的整體框架和發(fā)展核心算法。隨著新的理論方法和計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn)，代碼的維護(hù)和在新計(jì)算構(gòu)架下重寫和優(yōu)化一樣是十分繁重的任務(wù)。

?

在人才培養(yǎng)方面，計(jì)算化學(xué)軟件的開發(fā)不僅需要熟悉理論化學(xué)和當(dāng)前的主流計(jì)算方法，還需要結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新進(jìn)展，才有可能開發(fā)出有具有足夠競爭力的計(jì)算化學(xué)軟件。 因此，如果期望在發(fā)展自主知識產(chǎn)權(quán)的計(jì)算化學(xué)軟件方面有所作為，吸引和培養(yǎng)最優(yōu)秀的人才開展相 關(guān)領(lǐng)域的工作十分重要。

例如，Gromace在版本３.０后迅速得到大家的重視是因?yàn)槭紫仍贗ntel Pentium構(gòu)架上引入?yún)R編優(yōu)化， 成為最快的分子動力學(xué)模擬軟件。與同類計(jì)算程序相比，３—10倍的計(jì)算速度優(yōu)勢，以及Intel平臺相對低廉的價(jià)格，使得Gromace的用戶迅速增加。

?

2000年左右也是并行計(jì)算迅速發(fā)展的時(shí)代，程序的并行效率是決定計(jì)算速度的關(guān)鍵因素之一。相比于其它分子模擬軟件的在原有代碼基礎(chǔ)上修改實(shí)現(xiàn)并行， NAMD專門為分布式存儲并行機(jī)開發(fā)；采用了空間分解算法，消息驅(qū)動調(diào)度，從而最大程度地提高并行效率，使得其在大尺度并行模擬中占有重要優(yōu)勢， 成為各大計(jì)算中心最重要的計(jì)算化學(xué)軟件之一。

Gromace和NAMD的早期版本與當(dāng)時(shí)主流的分子動力學(xué)模擬軟件還有很大的差距。但是他們分別抓住了Intel X86平臺以及大規(guī)模并行計(jì)算技術(shù)發(fā)展的機(jī)遇，從而取得了成功。

?

目前，利用計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的最新進(jìn)展，如眾核技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等，新的計(jì)算化學(xué)軟件開發(fā)應(yīng)該有很多機(jī)會。當(dāng)前基于圖形處理器（GPU）加速計(jì)算的分子動力學(xué)模擬程序已經(jīng)非常普遍。與之類似的是，基于GPU計(jì)算的電子結(jié)構(gòu)軟件TeraChem。與其它電子結(jié)構(gòu)軟件的在原有GPU代碼上修改實(shí)現(xiàn)GPU加速不同，TeraChem的開發(fā)者首先開發(fā)了用GPU實(shí)現(xiàn)雙電子積分、直接SCF、解析梯度的算法，從而最充分地利用GPU加速計(jì)算。這些新的發(fā)展趨勢值得我們在發(fā)展自主知識產(chǎn)權(quán)計(jì)算軟件時(shí)注意。

Gaussian軟件的使用者都會對其圖形界面工具印象深刻，Gromace軟件包提供了完善的結(jié)果分析工具，并支持用戶開發(fā)各種擴(kuò)展。NAMD程序更是和優(yōu)秀的生物分子可視化程序ＶＭＤ緊密結(jié)合。這些對于吸引用戶使用新開發(fā)的計(jì)算化學(xué)軟件都非常重要。

?

除了以上理論計(jì)算化學(xué)工作者熟悉的計(jì)算軟件包之外，一些用于材料和生物計(jì)算的商業(yè)軟件如Materials Studio、Shr(o)dinger等都在軟件的界面和易用性上花了很大的功夫。這樣有助于實(shí)驗(yàn)工作者使用這 些軟件，從而更好地發(fā)揮理論計(jì)算化學(xué)對相關(guān)學(xué)科 的重要推動作用。

開發(fā)一個強(qiáng)大的通用計(jì)算化學(xué)軟件需要巨大的人力物力投入、合適的機(jī)遇，新開發(fā)的軟件還需要具有突破性思想和獨(dú)特的優(yōu)勢。

?

目前，我國理論化學(xué)界的研究工作者已經(jīng)發(fā)展出了許多重要的原創(chuàng)性計(jì)算方法，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件和軟件方面很多新興技術(shù)的出現(xiàn)也提供了新的發(fā)展機(jī)遇。因此， 基金管理部門的重視和理論化學(xué)工作者的積極參與將成為我國原創(chuàng)計(jì)算化學(xué)軟件開發(fā)的東風(fēng)，相關(guān)工作的開展將會大大提升我國理論與計(jì)算化學(xué)的國際地位，并且促進(jìn)青年人才的培養(yǎng)。