JUXAID

JUXAID

PYXAID是由Oleg V. Prezhdo和Alexey V. Akimov共同开发的优秀非绝热分子动力学软件，在凝聚态体系的激发态动力学模拟中得到了广泛应用。随后，Alexey V. Akimov开发的Libra进一步拓展了相关方法体系。此外，Hefei-NAMD、NEXMD、SHARC和Newton-X等软件也在激发态动力学研究中得到了广泛应用，并表现出良好的性能。

在此基础上，本项目开发了JUXAID，一个基于Julia语言的轻量化重构版本。该实现基于原程序的代码逻辑进行重新实现，并采用简洁的单文件结构。在保留从头算电子-核运动耦合核心理论框架的基础上，充分利用Julia在高性能数值计算与跨平台执行方面的优势，实现了非绝热分子动力学过程的高效模拟。同时，JUXAID引入了改进的表面跳跃算法（如SDM方法）以及更加灵活的模块化设计，从而提升了程序在复杂体系中的适用性与可扩展性。此外，JUXAID支持Linux与Windows等多平台环境运行，适用于大规模计算以及后续与机器学习方法的集成。

使用方法

julia namd.jl

性能对比

在以下两种硬件平台上，对PYXAID、MAXAID和JUXAID不同版本进行了性能测试：

• 服务器平台：英特尔® 至强® 金牌 6444Y，256 GB 内存，CentOS

• 桌面平台：Intel(R) Core(TM) Ultra 9 285H，32 GB 内存，Windows 11

相对耗时对比表

更新日志

v11 相比 v9 的主要改进

1. 自相关函数FFT加速

• v9 使用双重循环计算自相关函数（O(N²)）

• v11 使用 FFT 实现严格等价的自相关计算（O(N log N)

• 在长时间轨迹下显著提升decoherence计算速度

2. 参数结构化（移除global）

• v9 使用大量global变量（hbar、kb、dt等）

• v11 引入 NAMDParams 结构体统一管理参数

• 提高类型稳定性，增强Julia编译优化能力

3. 多电子态映射预计算

• v9 在每个时间步重复计算 delta_states 和 ext2int

• v11 预计算：

  • transition_map

  • diag_orbital_map

• 显著减少重复计算开销

4. 避免存储完整时间序列对象

• v9 存储完整 oe_es 和 me_es 数组（内存开销大）

• v11 使用：

  • Hme_batch（轻量）

  • 单个 ElectronicStructure 对象传播

• 大幅降低内存占用

5. Hamiltonian构造模块化

• v9 在main中集中实现（难维护）

• v11 拆分为函数：

  • build_spin_orbital_H!

  • build_Hme_batch

  • write_me_energies

• 提高代码可读性与可维护性

6. 减少临时数组分配

• v9 使用矩阵乘法和广播（产生临时对象）

• v11 使用显式循环更新矩阵

• 降低GC压力，提高运行效率

7. hop算法优化

• v9 使用 vec + cumsum

• v11 使用 view + 在线累加

• 避免不必要的内存分配

8. 更易扩展并行计算

• v11 将数据结构扁平化（Hme_batch + 单对象）

• 更适合后续：

  • 多线程（Threads）

  • 多进程（Distributed）

引用

这是PYXAID的原始文献：

• Akimov A V, Prezhdo O V. The PYXAID program for non-adiabatic molecular dynamics in condensed matter systems. Journal of Chemical Theory and Computation, 2013, 9(11): 4959–4972.

• Akimov A V, Prezhdo O V. Advanced capabilities of the PYXAID program: integration schemes, decoherence effects, multiexcitonic states, and field–matter interaction. Journal of Chemical Theory and Computation, 2014, 10(2): 789–804.

本工作：

论文正式发表后补充。