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 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). By considering a diverse set of aqueous configurations, SeA yields ~20x speedup in the rate-determining step in the convolution-based ACE implementation in Quantum ESPRESSO, while reproducing the EXX energy and ionic forces with high fidelity. In doing so, SeA effectively removes the computational bottleneck that prohibits the routine use of hybrid DFT in high-throughput applications, providing an ~6x speedup in the overall cost of the ACE algorithm (and >100x overall speedup when compared to the conventional EXX implementation) for systems similar in size to (H2O)64. As a proof-of-principle high-throughput application, we used SeA to train a DNN potential for ambient (T=300K, p=1Bar) liquid water at the hybrid (PBE0) DFT level based on an actively learned data set of ~8,000 (H2O)64 configurations. Using an out-of-sample test set ((H2O)512 at T=330K, p=1Bar), we confirmed the accuracy of the SeA-trained DNN potential and showcased the capability of SeA by directly 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/新材料、取样潜在能源表面和生成量子机械数据供机器学习的关键。 通过将精确交换(EXX)的一小部分(EXX),混合功能减少了半本地 DFT 中的自我互动错误,并提供了基础电子结构的更准确描述,尽管计算成本很高,往往禁止此类高通量应用。为了应对这一挑战,我们建立了SEA(SeA=SCDM+EX+ACE),这是一个强大、准确和有效的高通量压缩阶段混合DFT的节流节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节节

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