GPU acceleration of collinear and noncollinear DFT using a numerical atomic orbital-based DFT code

川井 弘之*; 関川 卓也; 尾崎 泰助*; 大野 義章*

Kawai, Hiroyuki*; Sekikawa, Takuya; Ozaki, Taisuke*; Ono, Yoshiaki*

第一原理電子状態計算ソフトウェアOpenMXは密度汎関数理論に基づく計算コードであり、主に物質の安定構造や電子状態を求める際に利用される。本研究では、OpenMXを、通常は画像処理に使われるGPU (Graphics Processing Unit)を用いて、計算を高速化する手法開発を試みた。ダイヤモンド構造のシリコン512原子系におけるテスト計算の結果、CPUを用いた計算時間との比較で約2倍の高速化に成功した。また、磁気構造計算に使われるノンコリニア計算ではシリコン384原子系においてCPUの2.6倍の高速化に成功した。特にノンコリニア計算のGPUによる高速化はこれまでに例が無い。本研究で得られた成果によって、第一原理電子状態計算でこれまでより大規模な系を扱うことが可能になる。

OpenMX, a first-principles electronic structure calculation software, is a computational code based on density functional theory primarily used to determine the stable structure and electronic states of materials. This study attempted to develop a method for accelerating calculations using OpenMX by employing a GPU, Graphics Processing Unit, typically used for image processing. Test calculations on a 512-atom diamond structure silicon system achieved approximately double the speed compared to CPU-based calculations. Furthermore, for noncollinear calculations used in magnetic structure calculations, a 384-atom silicon system achieved 2.6 times faster speed than the CPU. Especially, GPU acceleration for noncollinear calculations is unprecedented. The results obtained in this study enable the handling of larger systems than previously possible in first-principles electronic structure calculations.