High-throughput DFT calculations are key to screening existing/novel materials, sampling potential energy surfaces, and generating quantum mechanical data for machine learning. By including a fraction of exact exchange (EXX), hybrid functionals reduce the self-interaction error in semi-local DFT and furnish a more accurate description of the underlying electronic structure, albeit at a high computational cost that often prohibits such high-throughput applications. To address this challenge, we have constructed SeA (SeA=SCDM+exx+ACE), a robust, accurate, and efficient framework for high-throughput condensed-phase hybrid DFT in the PWSCF module of Quantum ESPRESSO (QE) by combining: (1) the non-iterative selected columns of the density matrix (SCDM) orbital localization scheme, (2) a black-box and linear-scaling EXX algorithm (exx), and (3) adaptively compressed exchange (ACE). Across a diverse set of non-equilibrium (H$_2$O)$_{64}$ configurations (with densities spanning 0.4 g/cm$^3$$-$1.7 g/cm$^3$), SeA yields a one$-$two order-of-magnitude speedup (~8X$-$26X) in the overall time-to-solution compared to PWSCF(ACE) in QE (~78X$-$247X speedup compared to the conventional EXX implementation) and yields energies, ionic forces, and other properties with high fidelity. As a proof-of-principle high-throughput application, we trained a deep neural network (DNN) potential for ambient liquid water at the hybrid DFT level using SeA via an actively learned data set with ~8,700 (H$_2$O)$_{64}$ configurations. Using an out-of-sample set of (H$_2$O)$_{512}$ configurations (at non-ambient conditions), we confirmed the accuracy of this SeA-trained potential and showcased the capabilities of SeA by computing the ground-truth ionic forces in this challenging system containing > 1,500 atoms.


翻译:高通量DFT计算是筛选现有/新型材料、采样势能面以及生成机器学习量子力学数据的关键。通过包含精确交换(EXX)的一部分,杂化泛函减少了半局域DFT中的自相互作用误差,并提供了更准确的电子结构描述,尽管计算成本高昂,常阻碍此类高通量应用。为应对这一挑战,我们构建了SeA(SeA=SCDM+exx+ACE),这是一个稳健、准确且高效的框架,用于在Quantum ESPRESSO(QE)的PWSCF模块中进行高通量凝聚相杂化DFT。该框架结合了:(1)基于非迭代密度矩阵选择性列(SCDM)的轨道局域化方案;(2)黑箱式线性标度EXX算法(exx);(3)自适应压缩交换(ACE)。在一组多样化的非平衡(H₂O)₆₄构型(密度范围0.4 g/cm³–1.7 g/cm³)中,与QE中PWSCF(ACE)相比,SeA在整体求解时间上实现了约一到两个数量级的加速(约8倍–26倍),相较于传统EXX实现则加速约78倍–247倍,同时以高保真度提供能量、离子力及其他性质。作为原理性高通量应用,我们利用SeA通过主动学习数据集(包含约8700个(H₂O)₆₄构型)在杂化DFT水平上训练了环境液态水的深度神经网络(DNN)势。通过使用非环境条件下的(H₂O)₅₁₂构型(离群样本集),我们验证了此SeA训练势的准确性,并通过计算该含超过1500个原子的挑战性系统中的真实离子力,展示了SeA的能力。

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