2021年計算化學公社論壇“你最常用的計算化學程序和DFT泛函”投票結果統計

2021年計算化學公社論壇“你最常用的計算化學程序和DFT泛函”投票結果統計

文/Sobereva@北京科音  2021-Jun-2

0 前言

2021年4月29號，在人氣最高的計算化學專業論壇“計算化學公社”（http://bbs.keinsci.com）開展了為期一個月的四個投票：
你最常用的DFT泛函投票（http://bbs.keinsci.com/thread-22853-1-1.html）
你最常用的量子化學程序投票（http://bbs.keinsci.com/thread-22854-1-1.html）
你最常用的分子動力學程序投票（http://bbs.keinsci.com/thread-22855-1-1.html）
你最常用的第一性原理程序投票（http://bbs.keinsci.com/thread-22856-1-1.html）

現對投票結果進行總結和評論。未來預計每三年重新開展一次投票。要強調的是，這個投票只是體現流行程度，和方法/程序的好壞并沒必然關系。

1 你最常用的DFT泛函投票

本次可投的泛函有31種，雙雜化泛函不包括在內，明顯幾乎不會有人用的泛函也沒納入可投范圍。投票范疇僅限量子化學計算，不包含第一性原理計算。關系特別近的，比如M05-2X和M06-2X、wB97X和wB97XD當做同一個泛函來計。此次投票者共712人，比2018年投票人數299增加了很多，體現出計算化學公社論壇的影響力日益增強。本投票每個人最多選6項，且所投的泛函必須占平時全部研究工作的10%以上，帶不帶DFT-D校正算同一個泛函。按照得票率（票數除以總投票人數）繪制的圖如下，為便于對比2018年的結果也一起繪制了。此圖中諸如某泛函對應60%就代表有60%的人平時較多使用此泛函，后文的統計圖同理。

從結果來看，經歷了27年，B3LYP還是目前流行程度最高的泛函，而且加上DFT-D校正之后又給其續命了。估計在接下來的10年內，雖然其流行度No.1的地位也許不保，但至少還會是用得最多的泛函之一。雖然B3LYP算能量問題已經落伍了，如今用這泛函算能量很容易挨審稿人批，見比如《堅持使用B3LYP算有機體系的人的下場》（http://bbs.keinsci.com/thread-12773-1-1.html），但優化、振動分析方面B3LYP的地位相當穩固，多數情況都能用，而且結果不錯速度又快，這點在《談談量子化學研究中什么時候用B3LYP泛函優化幾何結構是適當的》（http://www.shanxitv.org/557）里專門說了。

M06-2X與B3LYP的得票率比例和2018年一樣依然是6:10，真是挺巧的。M06-2X的流行程度頂多也就穩定在這個程度了，不會再上漲了。雖然M06-2X算有機問題、弱相互作用能量問題方面比B3LYP都強得多得多，并且明白這些問題的人越來越多，理應相對于B3LYP的得票率會進一步上升，但M06-2X有耗時高、容易出小虛頻、容易收斂困難這些小問題，而且DFT-D3又令B3LYP在優化弱相互作用體系方面不落下風，而且比M06-2X算各種體系能量問題精度都更好的wB97M-V使用人數又逐漸增多，因此M06-2X的流行程度到現在這個程度基本算是達到瓶頸了。

PBE0、wB97X/X-D的得票率比2018年有所上漲，這有點令我意外，雖然有一些巧合因素，但也可能有一些必然因素。比如在我不少博文，以及計算化學公社論壇上不少帖子里，都提到PBE0-D3(BJ)算過渡金屬配合物、算局域激發態是很好的選擇，這有可能對PBE0的得票率上升有不可忽視的貢獻。

2016年提出的wB97M-V在2018年的時候還不怎么為人所知，當時沒有留給它選項。這次投票可見wB97M-V已經明顯展露頭角了，這有很多原因：在《簡談量子化學計算中DFT泛函的選擇》（http://www.shanxitv.org/272）以及計算化學公社論壇上不少討論中都已經推薦了wB97M-V，在免費而且流行度日益上升的ORCA中已支持了wB97M-V，而且近年來不斷有各種benchmark文章表明wB97M-V算能量的精度在普通泛函里是幾乎最頂尖的。估計再過3年，wB97M-V的得票率比現在能上升一倍左右。

M06、M06L的得票率如今比2018低了不少。這也是因為這倆泛函在如今看來沒什么用，它們在后來的許多benchmark文章里（哪怕是專門測過渡金屬配合物體系的）表現得都很平庸，M06能用的情況用MN15幾乎都是更好的選擇，而必須用M06L這樣純泛函的時候（如靜態相關很強的情況），也不如用改用更新的MN15L。

BLYP得票率降了很多，確實這如今也用處不大。在ORCA里為了計算快而用純泛函的話，基本上我都推薦用B97-3c。

MN15得票率和2018年相比幾乎沒變，主要也是這泛函顯得有點中庸，用戶對它的剛性需求不多。

B3PW91、LC-wPBE、mPW1PW91、HSE06得票率比2018年顯著降低，完全失勢了，它們在量化計算里如今基本也都沒多大用處，只要用戶清醒地知道什么時候用什么泛函最恰當，這些泛函幾乎在任何研究中都不會用到（也有一些例外情況，比如《使用Multiwfn預測晶體密度、蒸發焓、沸點、溶解自由能等性質》http://www.shanxitv.org/337里提到的Politzer等人擬合的預測公式里的靜電勢描述符是基于B3PW91算的）。BP86下降不少其實有點可惜，這老東西其實在計算過渡金屬體系方面還是挺有用的，比較魯棒。B97(-1/2/3)得票率有所上漲，一定程度上可能是因為每次北京科音量子化學培訓班的時候、網上答疑的時候我都建議用B97-2算NMR所致。

其它泛函就沒什么好評價的了，基本上2018年沒人用的泛函到現在還是沒人用。有些很少有人用的泛函，比如SCAN、TPSSh其實都是有用武之地的，但用戶基本都被其它更流行、表現也不錯的泛函吸走了。

有一個泛函極度悲催，2018年就是唯一0票的，到2021年還是唯一0票的，它 就 是：APFD！3年前我就說，不好的泛函怎么打廣告都沒用，縱使某本書第三版通篇都用APFD（并由此給初學者一種錯覺APFD是應當默認使用的），而且這書中文版也早已上市，但終究APFD還是完全不被接受。其實這么冷門的泛函在本次投票中理應不給其留出選項的，但我就想看看到底有沒有哪怕一個初學者用了APFD，結果令我欣慰。

2 你最常用的量子化學程序投票

可投程序有28種，投票者共642人，顯著超過2018年的233人。本投票每個人最多選三項，且所投的程序必須占平時全部研究工作的10%以上。按照得票率繪制的圖如下

可見Gaussian依然是老大的位置，得票率穩居>90%。ORCA的用戶數提升幅度很大，這來自于近些年ORCA的迅速的發展、在計算化學公社論壇和思想家公社QQ群里口耳相傳。筆者近年也寫了不少ORCA相關的博文（見http://www.shanxitv.org/category/ORCA/），對于在國內普及ORCA起到了一定推動作用。雖然Gaussian的流行程度的地位在10年內難以動搖，ORCA若想充分代替Gaussian路還長得很，但明顯ORCA對Gaussian的威脅與日俱增。

xtb的用戶數是3年前的10倍有余！這是用戶數增速最快的程序。xtb支持的GFN-xTB對于粗略優化、跑要求不高的動力學、結合Molclus做構象搜索（見比如《使用Molclus結合xtb做的動力學模擬對瑞德西韋(Remdesivir)做構象搜索》http://bbs.keinsci.com/thread-16255-1-1.html）頗為有用，速度又快結果通常也定性合理，實用性頗高，在論壇和群里也經常有人討論xtb，因此其用戶數猛增是理所應當的，但增速實在是比我想象得更快。老師傅MOPAC有種要被xtb亂拳打死的感覺。

Dmol3和ADF用戶數猛跌！大勢已去！我作出上面的統計圖的時候，看到其流行度和3年前相差如此懸殊，我甚至噗~地噴出來。看來量子化學領域的用戶明顯逐漸趨于理性；如今信息越來越透明，計算化學公社論壇高質量的文章和討論也在選擇量子化學程序方面上起到了正確的導向，再加上免費的ORCA被越來越多的人認識，這都使得研究者們不再那么容易被又貴又*的程序所忽悠。Dmol3賊貴不說，程序還特弱，而且越來越顯得過時，比如到現在還不支持10年前就有的DFT-D3（這年頭基本沒有主流程序不支持這個），Dmol3用戶若發弱相互作用問題的文章只得尷尬地用DFT-D2，不被內行審稿人歧視才怪。如今在量子化學較高水平的交流群里，提問者一說要用Dmol3算xxx，大概率會被用異樣眼光看待，通常要么沒人理，或者被勸改用ORCA。對Dmol3還抱有幻想的初學者建議看看http://www.shanxitv.org/508。至于ADF，之前我在http://www.shanxitv.org/489里已經評述過，它相對于ORCA而言對于一般的研究真是沒什么使用價值，還按年收費賣得老貴，2018年投票的時候其得票率明顯高于其實用價值，今年的投票算是徹底打回原形了。

GAMESS-US越來越讓人覺得有點老古董了，發展慢，使用又麻煩。大多數國內的人用GAMESS-US基本都是沖著LMOEDA去的（從計算化學公社論壇的量子化學版的GAMESS-US分類的帖子里可見一斑）。由于賣點太少，使用門檻高，相關學習資源少，再加上ORCA來勢洶洶，GAMESS-US流行度不斷下降不難理解。

Molpro和阿Q流行度小降，也是對于大多數人缺乏剛性使用必要，又有其它程序的威脅所致。阿Q購買必要真是不大，以前泛函支持得多，特別是支持wB97M-V之類Gaussian沒有的泛函還算是對一般應用性研究用戶有價值的賣點，而如今ORCA不僅也支持了，而且掛著libxc還可以用各種泛函，折去了Q-Chem一個賣點（之前Q-Chem的TDDFT二階解析導數的賣點就被G16折去了）。雖然阿Q亂七八糟功能支持豐富，但那些功能大多過于偏學術，而且又缺乏教程來推廣，在大宗性研究中很少有機會用到。Q-Chem還有些相對有用的功能如今在ORCA、PSI4等其它免費程序里也都有替代品。Molpro的日子也不好過，MCSCF、多參考方法方面的老對手Molcas如今有了免費版OpenMolcas，這是挺致命的，而且ORCA這方面功能做得也越來越完善，以后Molpro的流行度可能還要降，更不好賣了。

PSI4用戶上漲不少，一方面是PSI4近年來發展很快，另一方面和這個博文可能也有不小關系：《使用PSI4做對稱匹配微擾理論(SAPT)能量分解計算》（http://www.shanxitv.org/526）。估計目前國內用PSI4大多數都是沖著SAPT去的。

其它程序用戶都很少。其中NWChem很慘，3年前流行度還能排個中游，如今流行度暴跌，沒什么人用了。也的確對于普通應用性研究者來說，這個程序如今使用必要性很低，發展慢，也受到ORCA的嚴重擠壓。

TeraChem是今年新加入投票的，只有慘淡的1票。這程序賣點是GPU加速，但這程序功能很少，賣得也不便宜，而且如今挖礦鬧得GPU價格暴漲，TeraChem相對于用其它程序靠CPU計算（尤其是ORCA里開RI）來說真是沒什么明顯好處了。

3 你最常用的分子動力學程序投票

共有397人參與了“你最常用的分子動力學程序投票”，共有19個程序可投，都是基于經典力場的分子動力學程序。每個用戶可以投3個，并且要求平時使用幾率超過10%。結果如下

GROMACS用戶數遠超任何其它程序，其它動力學程序用戶數目的總和才差不多等于GROMACS，這和我預期的完全一致。Tinker的用戶數遠低于我的預計，這也是個挺知名的程序，但在國內實在不人氣。我不知道為啥有人會用HyperChem做動力學，這速度也太慢了，功能也太弱了，還收費，而且這個程序都已經停止開發很多年了。

4 你最常用的第一性原理程序投票

共有442人參與了“你最常用的第一性原理程序投票”的投票，共有26個程序可投，每個用戶可以投3個，并且要求平時使用幾率超過10%。結果如下

VASP流行度排第一，這個沒有什么懸念，但遠達不到Gaussian那樣在量化領域里有無法撼動的地位。稍微出乎我意料的是這次摸底調查中體系出CP2K和Quantum ESPRESSO的用戶數其實很多，比我想象中的多多了，這是令我比較欣慰的。我很希望看到有越來越多的人使用這樣又強大又免費的程序代替賣得越來越貴的VASP。

CP2K能排到第二真是令我很意外，因為從這個程序原文的引用次數來看，比Quantum ESPRESSO要少得多得多，占VASP用戶數可能也就是個零頭。投CP2K的人這次這么多，一方面是CP2K用戶群體確實增長較快，也略微有一定可能是因為今年Multiwfn支持了創建CP2K輸入文件的功能（見《使用Multiwfn非常便利地創建CP2K程序的輸入文件》http://www.shanxitv.org/587），一下子把CP2K輸入文件編寫門檻極大地降低，并導致一些之前做量化而不做第一性原理計算的人開始嘗試著使用CP2K算點東西了。CP2K這個大殺器以后必會被越來越多的人青睞，越來越流行，前途光明。也同時祝愿Quantum ESPRESSO的用戶數與VASP的差距能越來越小。相比紅紅火火的CP2K，從投票結果看歷史更久的CPMD幾乎已經算是涼了，近年來也都不怎么發展了，快要退出歷史舞臺。

Abinit的用戶數真是少得可憐，遠低于我的預期，以這個免費又功能豐富的程序的體量來看用戶數理應不該這么少。CASTEP和Dmol3目前雖然還有一些市場，但我估計過三年再次投票的話，得票率肯定會降低。Dmol3很多人用是為了圖快，但把CP2K用好的話，多數情況下真沒必要花大把銀子買Dmol3。