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
• dockerを用いるのが最も簡単だが、ここではソースコードからコンパイルする方法を記述する

Linuxでのコンパイル

• PRIMERGY CX2550, Intel Xeon Gold

• cp2k-2023.1のコンパイル例

• 手順

  1. intelコンパイラをロード: module load intel; module load impi
  2. Githubからソースをダウンロード: git clone -b support/v2023.1 --recursive https://github.com/cp2k/cp2k.git cp2k-2023.1
  3. cd cp2k-2023.1
  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: ./install_cp2k_toolchain.sh --mpi-mode=intelmpi --math-mode=mkl --with-elpa=install --with-pexsi=install --with-sirius=no --with-plumed=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、入れれるものは入れたほうがいい？
     • elpaは入れたほうが計算が早いような印象
     • siriusはコンパイルできないことが多いのでパス
  7. cd ../../
  8. makefileを編集
     • ./archに対応するmakefileがあるので編集する
     • この場合はLinux-intel-x86_64.psmp
     • CXX=icpcを追加
     • SIRIUS, SCOTCHなど、使っていないライブラリのUSE...ををコメントアウト
  9. make ARCH=Linux-intel-x86_64 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。

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