CP2Kの使い方: インストール

CP2Kとは

• 原子・分子レベルでの第一原理計算ソフトウェア
• 密度汎関数理論(density functional theory: DFT)、Hatree-Fock、Moller-Presset摂動法(MP2)などの計算ができる
• 周期境界条件(periodic boundary condition: PBC)のある場合とない場合の両方が計算可能
• 基底関数は局在基底(Gauss関数)と平面波規定の両方を使う(mixed basis set)
• 全てフリー・オープンソースで利用可能 --> メリット
• 更新が頻繁(年2,3回程度?)に行われ、新しい手法が順次追加される --> メリット
• マニュアル等が少なく、特に日本語のリソースが少ない --> デメリット

コンパイル

• 公式サイトの指示通りにすればほぼ問題なくコンパイルできる
  • https://github.com/cp2k/cp2k/blob/master/INSTALL.md

Linuxでのコンパイル

• 環境: PRIMERGY CX2550, Intel Xeon Gold, cp2k-2024.1

1. コンパイラ環境をロード

   • intel: module load intel impi
   • gcc: module load gcc ompi

2. Githubからソースをダウンロード: git clone -b support/v2024.1 --recursive https://github.com/cp2k/cp2k.git cp2k-2024.1

3. cd cp2k-2024.1

4. git submodule update --init --recursive

5. cd tool/toolchain

6. 補助ライブラリ等をコンパイル

   • intel: ./install_cp2k_toolchain.sh --mpi-mode=intelmpi --math-mode=mkl --with-plumed=install --with-libtorch=install
   • gcc: ./install_cp2k_toolchain.sh --mpi-mode=openmpi --math-mode=openblas --with-plumed=install --with-libtorch=install
     • --with-PKG=installで各パッケージがインストールされる。入れない場合は=no
     • 実際に使うかわからないけど、入れられるものは入れたほうがいい
     • intelの場合、openBLASのコンパイルでWarningもしくはエラーが出る場合があるが、intel MLKのBLASを使うので問題はない

7. 生成されたMakefile等をコピー: cp install/arch/* ../../arch/

8. cd ../../

9. make ARCH=local VERSION=psmp

• cp2kのバージョンやコンパイル環境で補助ライブラリがコンパイルできる・できないが変わるので注意。基本的にはBLAS, LAPACK, XSMMがあればよい。LIBXC, LIBINTも可能であればコンパイルしたい

Dockerを使う場合

• 環境: Ubuntu- 20.04-LTS (Google Cloud Platform)

1. sudo apt-get install curl
2. curl -fsSL https://get.docker.com -o get-docker.sh
3. sudo sh get-docker.sh: ここまでdockerのインストール
4. sudo usermod -aG docker your_user_name: 権限の設定
5. docker run -it --rm -v $PWD:/mnt cp2k/cp2k:latest cp2k -i H2O-32.inp: cp2kの実行

• H2O-32.inpはhttps://github.com/misteliy/cp2k/blob/master/tests/QS/benchmark/H2O-32.inp から入手可能 (一部手直し必要)

MacOSでのコンパイル

1. brew uninstall cp2k
2. brew unlink open-mpi scalapack
3. ln -f -s /opt/homebrew/bin/gcc-13 /opt/homebrew/bin/gcc
4. ln -f -s /opt/homebrew/bin/g++-13 /opt/homebrew/bin/g++
5. ln -f -s /opt/homebrew/bin/gfortran-13 /opt/homebrew/bin/gfortran
6. git clone --recursive https://github.com/cp2k/cp2k.git cp2k
7. cd cp2k
8. source arch/Darwin-gnu-arm64.ssmp
9. make -j ARCH=Darwin-gnu-arm64 VERSION=ssmp

バイナリの種類

• 並列計算に用いるライブラリ(OpenMP, MPI)によってcp2kバイナリファイルの種類が異なる

種類	並列計算の設定
sdbg	OpenMP + debug settings
sopt	OpenMP + OMP_NUM_THREADS=1
ssmp	OpenMP
pdbg	MPI + OpenMP + debug settings
popt	MPI + OpenMP + OMP_NUM_THREADS=1
psmp	MPI + OpenMP

• poptはpsmpをリンクしているだけなので、実際はpsmpのみをコンパイルすればよい

プログラムの実行

serial計算

• コンパイルしたcp2kは${HOME}/cp2k/cp2k-version/cp2k/exe/Linux-.../cp2k.soptとする
• 実行コマンド: cp2k.sopt -i input.inp -o output.out

parallel計算

• プロセス数をNPROCSとする
• 実行コマンド: mpiexec -n $NPROCS cp2k.popt -i input.inp -o output.out
  • mpiexec.hydra -n ${PJM_MPI_PROC}を使う場合もある