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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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

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

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

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

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

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 $ module load mkl/2018.update3 Gamma 点 自旋轨道耦合 标准版本

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

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

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

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 ……

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/

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:

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 $ module load mkl/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

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

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

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

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/

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

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

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 $ module load mkl/2018.update3 可执行文件:$YourPath/siesta-4.1-b3/Obj/siesta

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!!!

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

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/

已完成 测试中 进行中 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

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

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 $ module load mkl/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

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

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