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