¿Por qué se utiliza FORTRAN con tanta frecuencia en la química computacional?

Question

He estado usando Ruby para escribir scripts para la investigación, pero quiero entrar en algunas cosas más pesadas para las que Ruby es demasiado lento. Me he dado cuenta de que hay algunas cosas escritas en C y C++, pero hay una proporción extrañamente grande de software utilizado en la química computacional que está escrito en FORTRAN (en el que tengo cero experiencia.)

¿Por qué se utiliza FORTRAN en la química computacional? Por lo que tengo entendido, FORTRAN es un poco antiguo ("tarjeta perforada"). Me sorprendió un poco encontrar tutoriales escritos recientemente para FORTRAN.

¿Es una especie de "así es como siempre lo hemos hecho" o hay un aspecto de eficiencia en FORTRAN que estoy pasando por alto?

Nota: Puede que haya confundido FORTRAN con lenguajes de programación posteriores con nombres similares.

Answer 1

Creo que eso ya no es cierto.

Parte del uso de Fortran es histórico (es decir, los primeros códigos se desarrollaron en FORTRAN porque era el mejor lenguaje de programación para el cálculo de números en los años 70 y 80). Además, el nombre significa "traducción de fórmulas".

Algunos Fortran uso es por el rendimiento. El lenguaje fue diseñado para ser:

especialmente adecuado para el cálculo numérico y la computación científica.

Muchas veces, me encuentro con codificadores de química que se aferran a Fortran porque lo conocen y tienen bases de código numérico muy optimizadas.

Creo que el lado del rendimiento ya no es necesariamente cierto cuando se utilizan compiladores C y C++ modernos y altamente optimizados.

Escribo mucho código en C y C++ por rendimiento y pego muchas cosas con Python. Sé que algunos programas cuánticos están escritos exclusiva o principalmente en C++. Aquí hay algunos ejemplos de código abierto:

• Psi4 - Escrito en C++ y Python
• MPQC - Escrito en C++
• LibInt - Escrito en C++ para realizar integrales cuánticas eficientes.
• LibXC - Escrito en C con "bindings" Fortran para los funcionales de intercambio-correlación DFT

Esta es mi opinión, pero mi recomendación para un rendimiento más rápido en química sería Python con algo de C o C++ mezclado.

Encuentro que soy más eficiente codificando en Python, en parte por el lenguaje, en parte por los muchos paquetes, en parte porque no tengo que compilar, y todo eso es importante.

Además, puedes ejecutar scripts y funciones de Python en paralelo, en la GPU, e incluso compilarlos, por ejemplo, con Numba . Como he dicho, si creo que el rendimiento es crucial, escribiré piezas en C o normalmente en C++ y enlazaré con Python cuando sea necesario.

Answer 2

Creo que tiene sentido ofrecer un punto de vista algo alternativo y aclarar el asunto.

FORTRAN vs. Fortran

En primer lugar, hay que distinguir el antiguo FORTRAN del nuevo Fortran, donde, por convención, el nombre del antiguo lenguaje se escribe normalmente en mayúsculas. El antiguo FORTRAN (hasta el FORTRAN 77) se sigue utilizando debido a las toneladas de código heredado, pero el nuevo Fortran (a partir del Fortran 90) se utiliza principalmente porque es un lenguaje muy elegante y sencillo, pero potente y eficazmente implementado. para el cálculo de números .

DSL vs. GPL en general

Nótese específicamente, que incluso el Fortran moderno, en mi opinión, es _lenguaje específico del dominio_ (DSL) y aquí radica su relativa debilidad en comparación con algunos lenguajes de uso general (GPL) como el mencionado C++: Fortran está especializado en una tarea concreta (el cálculo de números) y podría no ser tan adecuado para algunas tareas relacionadas (por ejemplo, el análisis automatizado de los resultados finales, su representación gráfica, etc.)

Los lenguajes de propósito general, como C++, le dan más flexibilidad (en las características del lenguaje, en las bibliotecas de terceros, etc.) para que pueda resolver no sólo la tarea principal (el cálculo de números) sino también la tarea relacionada utilizando la misma lengua . Sin embargo, si elige Fortran para el cálculo de números, a menudo tendrá que utilizar una lengua más (por ejemplo, Python) para estas tareas relacionadas. Piénsalo como si usaras dos DSLs diferentes: uno para la tarea principal, otro para las tareas relacionadas. Por supuesto, también podrías usar Python junto con C++, pero un desarrollador experimentado en C++ (que se supone que eres si eliges hacer algunos cálculos numéricos en él) no necesariamente aprovecharía las ventajas de usar otro lenguaje en lugar de su bestia C++.

Fortran vs. C++ específicamente

Todo esto es algo subjetivo, pero de todos modos, aquí están mis 5 centavos. En general, Fortran es más sencillo que C++, pero (y porque) C++ tiene más funciones . Básicamente, porque Fortran es DSL, mientras que C++ es GPL. Y como he dicho, esto es subjetivo hasta cierto punto, y además, la complejidad es una de las cosas más complejas del universo, por lo que podríamos iniciar un debate al respecto, pero bueno, una sola palabra: plantillas y la discusión está en principio terminada. Las plantillas hacen de C++ la bestia, pero todo tiene su precio.

Tenga en cuenta que no he dicho que C++ sea más potente, ya que, en mi opinión, "más funcional" no siempre significa "más potente". Depende, en primer lugar, de si realmente necesitas esas características adicionales o no. En serio, ¿necesitas el nivel de generosidad (y metaprogramación) que ofrecen las plantillas de C++ para el cálculo de números? No necesariamente. Y si es así, C++ no será más potente que Fortran, aunque sí tendrá más funciones.

Las plantillas no son la única característica de C++ que no tiene Fortran. Las excepciones y la biblioteca estándar son otras dos características notables que Fortran no tiene. De nuevo, no es probable que se beneficie mucho de estas características para el cálculo de números. Pero en otras tareas pueden ser muy útiles, por lo que C++ como GPL las incluye mientras que Fortran como DSL para el cálculo de números no lo hace. Piense en Fortran como un "lenguaje de maleta" sólo para el cálculo de números y en C++ como un "lenguaje de maletero" para todo.

También hay una gran característica del lenguaje Fortran que C++ aún no ha podido alcanzar: los módulos. Es decir, módulos reales y no la antigua maquinaria del preprocesador que me irrita más que todo lo demás.

Answer 3

FORTRAN solía tener una ventaja en cuanto a la velocidad debido a que contaba con compiladores mucho más optimizados, en parte debido a su relativa simplicidad. Ahora que los compiladores de C y C++ están casi a la par (y a veces son mejores), entran en juego otros factores como la programabilidad. Sin embargo, también hay mucho código heredado.

Trabajo en química cuántica, y muchos de los programas con los que trabajo tienen una mezcla pero están empezando a incorporar más C++. El paquete PSI4 incluso mezcla Python y C++ para obtener las ventajas de velocidad y usabilidad de cada uno.

A continuación se presenta una lista de varios programas y el o los idiomas que utilizan.

• ORCA - C++
• MPQC - C++
• PSI4 - C++, Python
• PySCF - Python
• Q-Chem - FORTRAN, C++
• CFour/ACES - FORTRAN, recientemente algo de C++
• NWChem - FORTRAN, C
• GAMESS(US) y GAMESS(UK) - FORTRAN
• Gaussian - FORTRAN
• Molpro - FORTRAN
• Dalton - FORTRAN, algo de C
• MRCC - FORTRAN
• MOLCAS/OpenMOLCAS - FORTRAN
• DIRAC - FORTRAN
• ADF - FORTRAN
• CASINO - FORTRAN
• COLUMBUS - FORTRAN
• CP2K - FORTRAN
• TURBOMOL - FORTRAN

Paquetes de química cuántica

Answer 4

FORTRAN es un lenguaje menos expresivo que C++, y eso permitía a los antiguos compiladores optimizar de forma mucho más eficiente. En los compiladores modernos, la diferencia de rendimiento es mínima o nula. Sólo hay algunos lugares donde las garantías de seguridad más débiles de FORTRAN permiten optimizaciones más extremas. Probablemente no notará la diferencia a menos que pase 6-10 años desarrollando FORTRAN.

En general, es más fácil desarrollar en los nuevos lenguajes porque aprovechan mejor las capacidades informáticas modernas. FORTRAN es muy estricto en su formato porque tuvo que ser compilado por ordenadores de mediados de los años 70. Le dices al ordenador exactamente lo que tiene que hacer en su lenguaje, en lugar de decirle lo que quieres hacer en un lenguaje más legible para los humanos.

FORTRAN se sigue utilizando por dos razones principales que puedo descubrir:

• Algunos problemas son lo suficientemente simples como para desperdiciar la expresividad de C++, y en realidad se puede hacer un programa más claro con el más simple FORTRAN.
• Muchos programas están hechos por la generación anterior. FORTRAN era, en el pasado, simplemente mejor para el trabajo computacional.

Answer 5

Me encontré con un artículo en J. Appl. Cryst. que está parcialmente relacionado con la pregunta original. Al comparar Fortran con otros lenguajes de programación en el contexto de los algoritmos cristalográficos en un marco de software reutilizable se obtiene este diagrama condensado:

( doi 10.1107/S0021889801017824 )

Hay que añadir que el artículo se refiere a paquetes de software escritos en el antiguo dialecto Fortran 77.