国外优秀计算化学软件那么多，国产软件该如何发展？

近年来，发展具有我国自主知识产权的计算化学软件的建议得到了广大理论计算化学同行和国家自然科学基金委（以下简称“基金委”）的重视。

我国近年来在理论与计算化学研究领域发展迅速，无论从研究队伍的规模、研究基础，还是相关领域经费投入的强度来看，发展国内计算化学软件平台不仅条件已经成熟， 而且对于我国理论化学的长远发展十分必要。

我们很高兴地看到，“计算化学软件平台就是理论化学家从事科研工作的仪器”这一观点正逐渐得到基金管理部门和相关领域专家的普遍认同。通用计算程序软件平台的建设是一项艰巨而复杂的系统工程。

以我们较熟悉的分子动力学模拟软件Gromace和 NAMD为例，Gromace软件包从1991年开始开发，在 2001年３.０版本发布之后才得到广泛的重视。

该软件包目前程序代码总共一百多万行，至今还在不断发展完善。其发展得到欧洲科学基金会、荷兰与瑞典等国的研究机构， 以及NVIDIA等公司的资助，根据代码行数粗略估计 需要花费两千万美元。NAMD主要是在NIT的长期支持下，由伊利诺伊大学并行计算实验室和NIT的理论与计算生物物理组合作开发。

一些大型的电子结构计算软件如Gaussian等， 其不断发展和完善更是有几十年的历史。Gaussian最早的版本Gaussian 70在1970年发布，只能用小基组进行Hartree Fock计算，总代码只有１万多行。 

随后，Gaussian公司对其不断地改进，优化，增加新功能并开发配套的结果分析工具，先后共发布了14个版本，这才使其成为用户最多的电子结构计算软件之一。

另一种适用于材料体系的电子结构计算软件VASP，从MIT的Mike Payne开发的最初程序到功能强大的VASP 5X也是经历了长达15年的时间。因此，与仪器研制项目类似，这些大型软件的开发，离开长期稳定的支持是不可能的。

与稳定的经费支持相对应，核心骨干团队长期的专注和投入同样必不可少。不仅在计算软件发展的初期需要投入大量的精力，建立软件的整体框架和发展核心算法。随着新的理论方法和计算技术的出现，代码的维护和在新计算构架下重写和优化一样是十分繁重的任务。

在人才培养方面，计算化学软件的开发不仅需要熟悉理论化学和当前的主流计算方法，还需要结合现代计算机技术的最新进展，才有可能开发出有具有足够竞争力的计算化学软件。 因此，如果期望在发展自主知识产权的计算化学软件方面有所作为，吸引和培养最优秀的人才开展相 关领域的工作十分重要。

例如，Gromace在版本３.０后迅速得到大家的重视是因为首先在Intel Pentium构架上引入汇编优化， 成为最快的分子动力学模拟软件。与同类计算程序相比，３—10倍的计算速度优势，以及Intel平台相对低廉的价格，使得Gromace的用户迅速增加。

2000年左右也是并行计算迅速发展的时代，程序的并行效率是决定计算速度的关键因素之一。相比于其它分子模拟软件的在原有代码基础上修改实现并行， NAMD专门为分布式存储并行机开发；采用了空间分解算法，消息驱动调度，从而最大程度地提高并行效率，使得其在大尺度并行模拟中占有重要优势， 成为各大计算中心最重要的计算化学软件之一。

Gromace和NAMD的早期版本与当时主流的分子动力学模拟软件还有很大的差距。但是他们分别抓住了Intel X86平台以及大规模并行计算技术发展的机遇，从而取得了成功。

目前，利用计算机硬件和软件技术的最新进展，如众核技术、机器学习等，新的计算化学软件开发应该有很多机会。当前基于图形处理器（GPU）加速计算的分子动力学模拟程序已经非常普遍。与之类似的是，基于GPU计算的电子结构软件TeraChem。与其它电子结构软件的在原有GPU代码上修改实现GPU加速不同，TeraChem的开发者首先开发了用GPU实现双电子积分、直接SCF、解析梯度的算法，从而最充分地利用GPU加速计算。这些新的发展趋势值得我们在发展自主知识产权计算软件时注意。

Gaussian软件的使用者都会对其图形界面工具印象深刻，Gromace软件包提供了完善的结果分析工具，并支持用户开发各种扩展。NAMD程序更是和优秀的生物分子可视化程序ＶＭＤ紧密结合。这些对于吸引用户使用新开发的计算化学软件都非常重要。

除了以上理论计算化学工作者熟悉的计算软件包之外，一些用于材料和生物计算的商业软件如Materials Studio、Shr(o)dinger等都在软件的界面和易用性上花了很大的功夫。这样有助于实验工作者使用这 些软件，从而更好地发挥理论计算化学对相关学科 的重要推动作用。

开发一个强大的通用计算化学软件需要巨大的人力物力投入、合适的机遇，新开发的软件还需要具有突破性思想和独特的优势。

目前，我国理论化学界的研究工作者已经发展出了许多重要的原创性计算方法，现代计算机硬件和软件方面很多新兴技术的出现也提供了新的发展机遇。因此， 基金管理部门的重视和理论化学工作者的积极参与将成为我国原创计算化学软件开发的东风，相关工作的开展将会大大提升我国理论与计算化学的国际地位，并且促进青年人才的培养。