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常用第一性原理计算软件入门 及在超算平台上的使用介绍

常用第一性原理计算软件入门 及在超算平台上的使用介绍. 中国科学技术大学 超算中心 刘晓辉 2019.3.15. Vasp Quantum EspressO Siesta Abacus. 常用第一性原理计算软件. VASP: Vienna Ab-initio Simulation Package. VASP 是由维也纳大学开发的第一性原理软件包， Fortran 语言 特色： 平面波（ Plane Wave ） 基组，计算精度可系统性提高； 投影缀加波（ PAW ）或超软赝势（ USPP ），减少了平面波的数目； 商业软件，专业团队开发、维护，功能比较完善；

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常用第一性原理计算软件入门 及在超算平台上的使用介绍

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Presentation Transcript

  1. 常用第一性原理计算软件入门及在超算平台上的使用介绍常用第一性原理计算软件入门及在超算平台上的使用介绍 中国科学技术大学 超算中心 刘晓辉 2019.3.15

  2. Vasp Quantum EspressO Siesta Abacus 常用第一性原理计算软件

  3. VASP: Vienna Ab-initio Simulation Package VASP是由维也纳大学开发的第一性原理软件包，Fortran语言 • 特色： • 平面波（Plane Wave）基组，计算精度可系统性提高； • 投影缀加波（PAW）或超软赝势（USPP），减少了平面波的数目； • 商业软件，专业团队开发、维护，功能比较完善； • 可移植性好，几乎支持所有的计算机平台

  4. VASP: Vienna Ab-initio Simulation Package • 功能：采用周期性边界条件，可以用于晶体、表面、分子等体系的研究。可以计算得到体系的各种性质， • 电子结构：电荷密度，能带结构，电子态密度，体系总能量 • 结构弛豫：原子位置，晶格参数，键长键角，原子受力，stress，稳定构型 • 状态方程：体弹性模量 • 晶格动力学：声子谱 • 第一性原理分子动力学：扩散系数，粘滞系数 • 光学，磁学性质

  5. VASP: Vienna Ab-initio Simulation Package • 安装： • 首先，购买VASP软件，获取源代码，解压 • vasp.X.X.X: 解压后的根目录 • arch: 适用不同架构的Makefile模板 • bin: 可执行文件存放目录 • build: 实际执行编译的目录 • src: 源代码目录 • lib: 库目录，对应以前的vasp.X.lib • CUDA: GPU CUDA代码目录 目录结构

  6. VASP: Vienna Ab-initio Simulation Package • 安装：针对不同计算平台，配置makefile.include文件 • Fortran 编译器: PGI 或Intel • MPI 库: Open MPI 或 Intel MPI • 数学库：BLAS，LAPACK/scaLAPACK，FFTW；或 Intel MKL 以TC4600平台为例 • Intel2018 ifort • Intel MPI • Intel MKL $ module purge $ module load intel/2018.update3 $ module load intelmpi/2018.update3 $moduleloadmkl/2018.update3 标准版本 自旋轨道耦合 Gamma 点

  7. VASP: Vienna Ab-initio Simulation Package • 输入文件：INCAR,POSCAR,KPOINTS,POTCAR INCAR: 输入参数控制文件 做什么，如何做 POSCAR: 晶胞信息 晶格常数、晶格矢量、原子位置 KPOINTS: 布里渊区k点 k点产生方法、k点个数、k点中心 SYSTEM = fcc Si #计算体系 ECUT = 500 #能量截断值，eV ISMEAR = 1 #smearing方法 EDIFF = 1E-6 #电子结构收敛精度 LREAL = A #实空间 or 倒空间 PREC = Accurate #总体计算精度 Si-fcc#解释行，计算体系 5.43 #晶格常数，Angstrom 0.5 0.5 0.0 #晶格矢量1 0.0 0.5 0.5 #晶格矢量2 0.5 0.0 0.5 #晶格矢量3 2 #原子个数 Cartesian #坐标系 0.000 0.000 0.000 #原子位置，1st原子 0.250 0.250 0.250 #原子位置，2nd原子 Automatic generation #解释行 0 #自动产生k点Monhkorst-Pack #产生k点方法 4 4 4 #各方向k点个数 0.0 0.0 0.0 #是否以Γ为中心

  8. VASP: Vienna Ab-initio Simulation Package • 输入文件：INCAR,POSCAR,KPOINTS,POTCAR POTCAR: 赝势文件 赝势类型、交换关联泛函 赝势：PAW 原子价电子数 XC: 局域密度近似 更多关于输入参数，输入文件的介绍，请参见VASP官方手册 缺省的能量截断值

  9. VASP: Vienna Ab-initio Simulation Package • 标准输出，即屏幕输出 cpu核数 元素种类、原子数 电荷密度迭代 体系基态能量

  10. VASP: Vienna Ab-initio Simulation Package • 输出文件 • OUTCAR: 完整的输出信息，包含了输入文件信息、计算迭代过程和计算结果 • OSZICAR: 电子迭代和离子迭代（如果有的话）信息 • CONTCAR: 计算结束后的晶胞信息，包括晶格矢量、原子位置等 • CHG(CAR): 体系的电荷密度分布 • DOSCAR: 体系的电子态密度 • EIGENVAL: 体系的本征值 • WAVECAR: 体系的电子波函数 • …… • 从输出文件获取信息： • 总能量 • $ grep ‘energy without entropy’ • 费米能级 • $ grep ‘E-fermi’ • 更多信息可进入到文件查看 参考资料： https://www.vasp.at/ https://cms.mpi.univie.ac.at/wiki/index.php/The_VASP_Manual ……

  11. Quantum Espresso（简称QE）Quantum opEn-Source Package for Research in Electronic Structure，Simulation，and Optimization QE是由意大利理论物理研究中心发布的第一性原理软件包，Fortran语言 • 特色： • 平面波（Plane Wave）基组，计算精度可系统性提高； • 模守恒（NC）或超软赝势（USPP）； • 基于GNU GPL协议开源发布； • 源码模块化（>version5.0） • PW: 电子自洽计算模块 • CP(V): 分子动力学模块 • NEB: 计算过渡态模块 • PHonon: 计算声子模块 • PP, TDDFT, …… 功能多样化！ 官网：http://www.quantum-espresso.org/

  12. Quantum Espresso（简称QE）Quantum opEn-Source Package for Research in Electronic Structure，Simulation，and Optimization • 安装（以qe-6.3 版本为例）： • 首先，直接下载软件(www.quantum-espresso.org/download)，获取源代码，解压 独立软件包模块： 通用模块：

  13. Quantum Espresso（简称QE）Quantum opEn-Source Package for Research in Electronic Structure，Simulation，and Optimization • 安装：针对不同计算平台，配置make.inc文件 • Fortran 编译器: PGI 或Intel • MPI 库: Open MPI 或 Intel MPI • 数学库：BLAS，LAPACK/scaLAPACK，FFTW；或 Intel MKL 以TC4600平台为例 • Intel2018 ifort • Intel MPI • Intel MKL 加载编译环境 设置环境变量 $ module purge $ module load intel/2018.update3 $ module load intelmpi/2018.update3 $moduleloadmkl/2018.update3 $ export MPIF90=mpiifort $ export F90=ifort $ export CC=icc $export F77=ifort 编译PW模块 $ make pw 生成make.inc文件 可执行文件：$YourPath/qe-6.3/bin/pw.x $ ./configure BLAS_LIBS=-mkl \ SCALAPACK_LIBS="-lmkl_scalapack_lp64 -lmkl_blacs_intelmpi_lp64" \ FFT_LIBS=-mkl

  14. Quantum Espresso（简称QE）Quantum opEn-Source Package for Research in Electronic Structure，Simulation，and Optimization 控制计算类型，输入输出参数 • 输入文件：Si2_diamond.scf.in （文件名可自定义） 描述体系参数 自洽求解参数 晶格矢量 元素，赝势文件，原子位置 布里渊区k点

  15. Quantum Espresso（简称QE）Quantum opEn-Source Package for Research in Electronic Structure，Simulation，and Optimization • 输出文件：标准输出，即屏幕输出 电子迭代过程 晶胞，能量截断值 程序版本，并行核数

  16. Quantum Espresso（简称QE）Quantum opEn-Source Package for Research in Electronic Structure，Simulation，and Optimization • 输出文件： • 从输出文件获取信息： • 总能量 • $ grep ‘! total energy’ • 费米能级 • $ grep ‘Fermi energy’ • 更多信息可进入到文件查看 参考资料： http://www.quantum-espresso.org/ http://www.quantum-espresso.org/Doc/INPUT_PW.html www.quantumchemistry.net/node/546

  17. SIESTA: Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms SIESTA是由西班牙开发的第一性原理软件包，Fortran语言 • 特色： • 原子轨道基组，线性标度算法，可以处理较大尺寸的体系； • 模守恒（Norm Conserving）赝势； • 基于GNU GPL协议开源发布； 官网：https://departments.icmab.es/leem/siesta/

  18. SIESTA: Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms • 功能： 参考SIESTA手册

  19. SIESTA: Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms • 安装（以siesta 4.1-b3 版本为例）： • 首先，直接下载软件(https://launchpad.net/siesta)，获取源代码，解压 主要目录： • siesta-4.1-b3: 解压后的根目录 • Docs: 文档 • Src: 源代码 • Examples : 算例 • Tests: 测试例子（更多体系、更多功能） • Tutorial: 生成基组(Bases) ，赝势(Pseudo)教程 • Util: 后处理工具 • Obj: 存放编译过程中产生的文件，也是编译目录

  20. SIESTA: Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms • 安装：针对不同计算平台，配置arch.make文件 • Fortran 编译器: • MPI 库: Open MPI 或 Intel MPI • 数学库：BLAS，LAPACK/scaLAPACK；或 Intel MKL 以TC4600平台为例 • Intel2018 ifort • Intel MPI • Intel MKL 加载编译环境 编辑arch.make文件 $ module purge $ module load intel/2018.update3 $ module load intelmpi/2018.update3 $moduleloadmkl/2018.update3 可执行文件：$YourPath/siesta-4.1-b3/Obj/siesta

  21. SIESTA: Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms • 输入文件：*.fdf文件，*.psf文件 Si.psf文件 si2.fdf 文件 赝势文件*.psf使用前需要测试！！！

  22. SIESTA: Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms • 输出文件： • 从输出文件获取信息： • 总能量 • $ grep ‘siesta: E_KS’ • 更多信息可进入到文件查看 参考资料： https://departments.icmab.es/leem/siesta/ https://departments.icmab.es/leem/siesta/Documentation/Manuals/siesta-4.0.pdf

  23. ABACUS:Atomic-orbital Based Ab-initio Computation at UStc ABACUS是由中科大量子信息实验室、超算中心联合开发的第一性原理软件包，C++ • 特色： • 原子轨道基组，可以处理较大尺寸的体系，且基组可系统性地提高； • 模守恒（Norm Conserving）赝势； • 提供参考的赝势-轨道库； 官网：http://abacus.ustc.edu.cn/

  24. Plane waves/Atomic orbital dual bases sets • Normal conserving pseudopotential (UPF format) • Functionals: LDA, GGA, spins, van der Waals (DFT-D2) • Electronic structures，structural relaxation • Molecular dynamics (NVE，NVT) 已完成 V1.0 • stress and cell optimization • Real-time TDDFT • Berry phase, electric polarization • Interface to Wannier90 • spin-orbital coupling • Hybrid functional (HSE and PBE0) • Transports Will be included in the next release V1.1 测试中 进行中 • RPA, GW, • optical, dielectric properties

  25. ABACUS:Atomic-orbital Based Ab-initio Computation at UStc • 安装（以ABACUS v1.0.1版本为例）： • 首先，直接下载软件(http://abacus.ustc.edu.cn/)，获取源代码，解压 主要目录： • ABACUS.1.0.1_2016-12-19 : 解压后的根目录 • source: 源代码 • examples : 算例 • data: 赝势、原子轨道基组 • tools: 基组产生工具

  26. ABACUS:Atomic-orbital Based Ab-initio Computation at UStc • 安装：针对不同计算平台，配置source/Makefile.vars文件 • C++ 编译器 • MPI 库: Open MPI 或 Intel MPI • 数学库：BLAS，LAPACK/scaLAPACK，FFTW, boost；或 Intel MKL 以TC4600平台为例 • Intel2018 ifort • Intel MPI • Intel MKL 加载编译环境 $ module purge $ module load intel/2018.update3 $ module load intelmpi/2018.update3 $moduleloadmkl/2018.update3 $ module load fftw/2.1.5/intel/2018.update3 $ module load boost/1.64.0/intel/2017.update4 可执行文件：$YourPath/ABACUS.1.0.1_2016-12-19/bin/ABACUS.mpi.1.0.1

  27. ABACUS:Atomic-orbital Based Ab-initio Computation at UStc • 输入文件：INPUT,STRU,KPT,*.UPF, *.orb INPUT: 输入参数控制文件 做什么，如何做 STRU: 晶胞信息，赝势，基组 晶格常数、晶格矢量、原子位置 KPT: 布里渊区k点 k点产生方法、k点个数、k点中心 赝势（*.UPF）文件和基组（*.orb）文件可以直接从官网下载使用

  28. ABACUS:Atomic-orbital Based Ab-initio Computation at UStc • 输出文件：标准输出，文件夹OUT.ABACUS/ • 从输出文件获取信息： • 总能量 • $ grep ‘!FINAL_ETOT_IS’ OUT.ABACUS/running_scf.log • 更多信息可进入到文件查看

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