強化学習LAQAを用いた高効率結晶構造探索手法の開発およびソフトウェア化

使用强化学习 LAQA 的高效晶体结构搜索方法的开发和软件化

基本信息

批准号：
21K03386
负责人：
山下智樹
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Nagaoka University of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

我々が開発している結晶構造探索手法のLAQAでは、第一原理計算から得られる原子に働く力および応力テンソルを用いることにより、最終的にエネルギーがより低くなりそうな構造候補を選択して優先的に最適化することで、不要な最適化計算を行うことなく効率的に安定構造が探索可能となる。2022年度はこれまで開発済みであった、第一原理計算ソフトのQuantum ESPRESSOの最適化ステップごとのエネルギー、原子に働く力および応力テンソルを抽出するコードを結晶構造探索ツールであるCrySPYに取り組み、ユーザーが難しいことを気にすることなくLAQAによるシミュレーションを行うことができるよう、ソフトウェア開発を行った。また、2021年度に開発した、応力テンソルを含めたLAQAのスコア関数も搭載したプログラムも開発バージョンとしては完成しており、他の機能と合わせて2023年5月に公開を予定している。これまでのCrySPYはインストールに少し難しさが残っていたが、本研究の目的である簡単に扱うことができるようなソフトウェア化のため、プログラム全体を見直すことでインストールを簡単化し、マニュアルも整備した。PythonのソフトウェアリポジトリであるPyPIに登録を行い、pipを使うだけでCrySPYのインストールが可能になった。本研究を遂行している中で、構造生成のスピードアップへの要望がユーザーから挙がってきた。特にLAQAは最初に多数のランダム構造を生成することになるので、構造生成の効率化も必要不可欠と言える。これまではシングルプロセスの逐次計算で行っていた構造生成をMPI並列を用いた並列計算で行えるようにプログラムを改良した。これにより、CPUの能力を最大限利用した構造生成が可能となった。

我们正在开发的晶体结构搜索方法 LAQA，利用作用于原子的力和从第一性原理计算中获得的应力张量来选择和优先考虑可能具有较低能量的结构候选者。搜索稳定的结构而不执行不必要的优化计算。 2022 财年，我们将致力于晶体结构搜索工具 CrySPY 的开发，为第一性原理计算软件 Quantum ESPRESSO 的每个优化步骤提取能量、作用于原子的力和应力张量的代码，该软件具有到目前为止，我们开发了软件，以便可以使用 LAQA 进行模拟，而不必担心模拟 LAQA 的困难。此外，2021年开发的、配备包括应力张量在内的LAQA评分功能的程序的开发版本已经完成，计划于2023年5月与其他功能一起发布。到目前为止，CrySPY 的安装仍然有些困难，但为了创建易于操作的软件（这也是本研究的目的），我们通过审查整个程序并准备了手册来简化安装。现在，您只需将 CrySPY 注册到 PyPI（Python 软件存储库）并使用 pip 即可安装。在进行这项研究时，用户表达了加快结构生成的愿望。特别是，由于LAQA首先生成大量随机结构，因此提高结构生成的效率至关重要。该程序已得到改进，使得以前通过单个进程中的顺序计算执行的结构生成可以通过使用 MPI 并行性的并行计算来执行。这使得生成充分利用 CPU 能力的结构成为可能。

项目成果

期刊论文数量（4）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Improvement of Searching Efficiency in Crystal Structure Prediction by LAQA

LAQA 提高晶体结构预测搜索效率

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Tomoki Yamashita;Hirotaka Sekine
通讯作者：
Hirotaka Sekine

Improvement of look ahead based on quadratic approximation for crystal structure prediction

基于二次近似的晶体结构预测的前瞻改进

DOI：
10.1080/27660400.2022.2059335
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Yamashita Tomoki;Sekine Hirotaka
通讯作者：
Sekine Hirotaka

CrySPY: a crystal structure prediction tool accelerated by machine learning

CrySPY：机器学习加速的晶体结构预测工具

DOI：
10.1080/27660400.2021.1943171
发表时间：
2021-01-01
期刊：
Science and Technology of Advanced Materials: Methods
影响因子：
0
作者：
T. Yamashita;S. Kanehira;N. Sato;H. Kino;Kei Terayama;Hikaru Sawahata;Takumi Sato;F. Utsuno;Koji Tsuda;Takashi Miyake;T. Oguchi
通讯作者：
T. Oguchi

Improvement of look ahead based on quadratic approximation for crystal structure prediction

基于二次近似的晶体结构预测的前瞻改进