CFOUR程序的编译和使用方法简介

CFOUR程序的编译和使用方法简介

文/Sobereva  2012-Jul-5


1 前言


CFOUR程序的全称是Coupled-Cluster techniques for Computational Chemistry。它是由ACESII-MAB程序改名而来,而ACESII-MAB程序是ACESII程序的一个分支,ACESII (Advanced Concepts in Electronic Structure)是从1990年代初开始开发的从头算程序,特别适合微扰和耦合簇的大规模并行计算。

CFOUR继承了ACESII的大部分特征,是一个以做耦合簇见长的从头算程序,同时也支持HF、微扰、CI、QCI计算,但是不支持DFT。CFOUR的耦合簇最高能做到CCSDT,并且在这样的级别下还能支持二阶解析导数,相比之下,常用的Gaussian计算能量只支持到CCSD(T),而其一阶解析导数最高只支持到CCSD。CFOUR做耦合簇的效率号称很高,CCSD(T)计算对于高对称性体系比Gaussian快2、3倍是有的,结果相符也很好,但是无对称性体系下却并不总比Gaussian09快。CFOUR对GIMIC, MRCC, DIRAC, NEWTON-X程序提供了接口,利用GIMIC可以分析感应电流密度,借助MRCC可以做无穷高阶耦合簇,DIRAC是著名的能支持四分量相对论计算的程序,NEWTON-X是一个BO近似下做分子动力学的程序。

CFOUR可以执行多种任务计算多种属性,比如单点、几何优化,寻找过渡态,算激发态(EOM-CC),算红外、拉曼、NMR、g张量、静态/含频极化率和超极化率等。

CFOUR是免费开源的程序,但是获得它相对麻烦点,必须在其主页http://www.cfour.de上下载授权表,签字后通过传真或者实体邮件发给开发者。为方便大家我也传在了这里:/usr/uploads/file/20150609/20150609182404_74068.tar.gz

CFOUR比ACESII相对来说更user-friendly一些(尽管仍远称不上user-friendly),容易编译,而ACESII包括后来的ACESIII则都是面向开发者的程序,一般用户编译使用起来极其艰苦。不过CFOUR终究还是面向有一定量化经验的用户,不适合初学者,手册写得粗糙晦涩简陋,很多地方让人糊涂,且只有在线版手册,给新用户入门带来些麻烦,可以去http://www.qtp.ufl.edu/ACES/index.shtml下载一份ACESII的pdf版手册在必要时作为参考,写得更为详细。

CFOUR在线手册地址:http://slater.chemie.uni-mainz.de/cfour/index.php?n=Main.Manual
CFOUR关键词一览:http://slater.chemie.uni-mainz.de/cfour/index.php?n=Main.ListOfKeywordsInAlphabeticalOrder
CFOUR输出文件介绍:http://slater.chemie.uni-mainz.de/cfour/index.php?n=Main.FileStructure

CFOUR单点计算支持的方法一览:
R/U/ROHF,TCSCF
MP2/3/4
CC2/3
CCD, CCSD, CCSD+T, CCSD(T), CCSDT, CCSDT-n (n=1-4), Brueckner-CCD (B-CCD), B-CCD(T), Orbital-optimized CC (OO-CC)
CID, CISD
QCISD, QCISD(T)

CFOUR一阶解析梯度支持的方法一览:
HF-SCF,TCSCF
MP2/3/4
CC2/3
QCISD,QCISD(T)
CCD, CCSD, CCSD(T), CCSDT-n (n=1-4), CCSDT

CFOUR二阶解析梯度支持的方法一览:
HF-SCF (RHF, UHF, ROHF)
MP2/3/4 (RHF, UHF)
CCD, CCSD, CCSD(T) (RHF, UHF)
CCSDT-n (n=1-4), CCSDT (RHF)

总的来说,CFOUR的最主要用处有三:获得很高精度的能量、结构或密度;更快地做耦合簇计算;与GIMIC相连接分析感应电流(将在其它帖子专门介绍)


2 编译方法


CFOUR支持MPI并行(OpenMPI、lammpi、mpich2都可以),支持MKL库,并可以通过MKL库的多线程模式来实现并行。编译时可以根据情况挂上不同选项,网站上给了一些例子(http://slater.chemie.uni-mainz.de/cfour/index.php?n=Main.Examples),但是很凌乱,这里给出最常用的64bit Linux平台下的串行和并行版本编译方法。CFOUR的代码兼容性比较好,不同Linux发行版本下,用gfortran和ifort都能顺利编译。寡人用的是RHEL6U1+mpich2 1.4.1p1+ifort 12.1环境,intel i7-2630QM。12分钟可以编译完毕。

注意,如果你用的是ifort 12.x,由于其bug,在下面的步骤中执行./configure产生make.config文件后,要将make.config中的-O3都改为-O2才能执行下一步,不这样将优化等级适当调低的话编译到中途可能卡主。如果是gfortran或者老版本ifort,比如ifort 10,则不存在这个问题。

串行版本的最简单的编译方式:
1 解压CFOUR源代码包,进入其目录,假设为/sob/cfour_v1
2 运行./configure FC=ifort (没装ifort就改成FC=gfortran)
3 make。编译出的文件会在bin目录下
4 将export PATH=$PATH:/sob/cfour_v1/bin加入到当前用户的.bashrc文件中,输入bash命令或重新启动控制台使之生效。

串行版本+mpich2+MKL+GIMIC程序的接口的编译:
1 把ifort 12.1(连带着安装包内含的MKL)安装到默认路径
2 安装mpich2到默认路径。也就是解压后运行./configure FC=ifort,然后make,然后make install。将127.0.0.1 ltwd ltwd加到/etc/hosts最后,ltwd代表当前实际主机名。
3 export MKLPATH=/opt/intel/mkl/lib/intel64 (如果是老版本ifort,默认的MKL路径可能不一样,根据实际情况调整)
4 解压CFOUR源代码包,进入其目录,假设为/sob/cfour_v1
5 将下面这一串作为一整行复制到控制台中执行。由于这里加了--enable-gimic,因此会编译出xcpdens程序,这是给GIMIC用的,和GIMIC包里自带的xcpdens其实是完全一样的。
./configure FC=ifort MPIFC=mpif90 --enable-gimic --with-blas="$MKLPATH/libmkl_solver_ilp64.a -Wl,--start-group $MKLPATH/libmkl_intel_ilp64.a $MKLPATH/libmkl_intel_thread.a $MKLPATH/libmkl_core.a -Wl,--end-group -openmp -lpthread" --enable-mpi=mpich --with-mpirun="mpirun -np \$CFOUR_NUM_CORES" --with-exenodes="mpirun -np \$CFOUR_NUM_CORES"
5 make
6 将export PATH=$PATH:/sob/cfour_v1/bin加入到当前用户的.bashrc文件中,输入bash命令或重新启动控制台使之生效。


3 使用方法


CFOUR的输入文件必须命名为ZMAT。运行前要将CFOUR目录下basis文件夹里的GENBAS基组文件拷到ZMAT所在目录下,如果用赝势,也要把basis文件夹里的ECPDATA文件拷到那里。然后在ZMAT所在目录下输入xcfour即可开始运算。运行过程信息输出到屏幕上,同时还会在当前目录下产生一大堆文件,如果之后要算新任务,应该把它们删掉。

如果用的是按上面方法编译的并行+MKL版,运行前需要先设定两个环境变量,比如有8个CPU核心时可以这么设
export CFOUR_NUM_CORES=4
export MKL_NUM_THREADS=2
这里CFOUR_NUM_CORES设定的是MPI并行时启用多少个进程,设为n的话那么内存及硬盘的开销就会约为之前的n倍。MKL_NUM_THREADS设定的是每个MPI进程中在调用MKL数学库时启用多少个线程,这并不会增加资源消耗。上面的例子,运行时总共就会有4*2=8个线程并行。由于程序中利用MKL库的部分是有限的,所以靠MKL_NUM_THREADS并行明显不如用CFOUR_NUM_CORES并行程度充分,对于四核机子,通常这两个参数为4/1时比1/4的时候要快很多。然而,由于做较大的后HF计算时总是要频繁、大量读写硬盘,进程太多就会使硬盘I/O速度成为严重的瓶颈,反倒会拖慢速度,而且还大幅增加了硬盘使用量,所以,4/1时常不如2/2的时候快。这两个参数怎么设效率最高,应当在自己条件下实际测试一下。

MPI并行运算时依然是直接输入xcfour即可,不要在前面自己写mpirun -np x,因为程序会自动把它加上去。

CFOUR支持MPI并行的功能主要是耦合簇计算,必须在输入文件中包含CC_PROGRAM=ECC和ABCDTYPE=AOBASIS关键词才行(即便不并行,带上它们也比默认情况算得更快)。

对于不支持MPI并行的任务,如MP2,如果想达到并行化,就只能靠MKL_NUM_THREADS来实现。也就是说,此时要用串行版本来计算,且在编译串行版本的./configure这一步后面加上这一串以利用MKL:--with-blas="$MKLPATH/libmkl_solver_ilp64.a -Wl,--start-group $MKLPATH/libmkl_intel_ilp64.a $MKLPATH/libmkl_intel_thread.a $MKLPATH/libmkl_core.a -Wl,--end-group -openmp -lpthread"
假设有n个核,就设export MKL_NUM_THREADS=n


4 输入文件格式


典型的输入文件格式为
Water CC-LR/DZP at experimental equilibrium geometry
O
H 1 R
H 1 R 2 A

R=0.958
A=104.5

*CFOUR(CALC=CCSD,BASIS=DZP,EXCITE=EOMEE)

%excite*
1
1
1 5 0 6 0 1.0
[空行]
第一行是注释,接下来是分子坐标(默认为埃),元素名必须顶头写。*CFOUR()里面是关键词,显然,CALC和BASIS就是指方法和基组。最后一部分是特殊任务才要输入的(这里是对EOM-CCSD算激发态任务的设定)。

每行不得超过80个字符,然而关键词那行经常会超过这要求,此时可以分多行写,例如
*CFOUR(CALC=HF,BASIS=cc-pVDZ,PROP=NMR,SYMMETRY=ON
CC_PROGRAM=ECC,ABCDTYPE=AOBASIS)
注意换行处末尾不加逗号,而且要有个空格。因此上面SYMMETRY=ON后面跟着个空格,不要忽略。

如果想优化结构,不需要专门写关键词,将相应的变量上打星号即可,如
O
H 1 R*
H 1 R* 2 A*


5 常用关键词


此程序很多关键词都平时用不上,或者不需要修改,这里我总结出最常用的关键词的主要含义,建议过目一遍,具体信息还要去查阅在线手册,在日后新版本很多参数可能都会变名字。注意CFOUR程序做后HF时默认是不冻芯的。

EMORY=xxx将可用内存设为xxx,默认单位为INTEGERWORDS。对于32/64bit平台分别乘以4/8就是KB。用MEM_UNIT可以将单位改为kB, MB, GB, , TB
ECP=ON:使用赝势
CHARGE:体系的电荷
MULTIPLICITY:体系的自旋多重度
COORDINATES:控制体系的坐标描述。默认的INTERNAL是内坐标,CARTESIAN可以用笛卡尔坐标,但是不能做几何优化。XYZ2INT是提供内坐标连接关系但使用笛卡尔坐标描述位置。
SCF_CONV=N:密度矩阵最大变化小于10^-N就停了。默认为7
SCF_DAMPING:设500有益于解决SCF不收敛
SCF_MAXCYC:SCF最大迭代次数,默认150
SCF_EXTRAPOLATION:是否用DIIS,默认为ON
SPHERICAL:默认的ON是用球谐型高斯函数,OFF用笛卡尔型
SUBGROUP:默认使用最高阶的阿贝尔点群对称性。C1就相当于SYMMETRY=OFF
PRINT=1:可以比默认0少输出些信息

GEO_METHOD=TS:找过渡态
GEO_CONV=N:设定优化收敛限为N Hartree/bohr
GEO_MAXCYC:最大优化步数,默认为50
GEO_MAXSTEP:设几何优化的最大步长为millbohr。默认300
EVAL_HESS=N:每隔N个优化步算一次精确Hessian,默认为从不,也就是用准牛顿法

EXCITE:设定EOM-CC/LR-CC的处理类型,默认为NONE,EOMEE是计算激发态,EOMIP是计算离子化态,EOMEA是计算electron-attached态
ABCDTYPE=AOBASIS:建议对最高至CCSD(T)的各种计算都加上,可以加快速度。默认是=0 (STANDARD)
XFIELD,YFIELD,ZFIELD:XYZ方向加电场
PROPS=FIRST_ORDER:计算一阶属性(多极矩,相对论校正,电场梯度,自旋密度,Mulliken电荷);SECOND_ORDER计算静态可极化率;DYNAMICAL;计算含频可极化率;NMR:计算NMR;HYPERPOL:计算静态超极化率;DYN_HYP计算含频率超极化率
RAMAN_INT=1:算拉曼
RELATIVISTIC:设定相对论校正
DBOC=1:做diagonal Born-Oppenheimer对能量的校正
VIBRATION=ANALYTIC:用解析二阶导数计算谐振频率

CC_PROGRAM:控制做CC的程序,默认是VCC,对于CCSD, CCSD+T, CCSD(T), closed-shell CCSDT-n, CC3 和CCSDT,建议设为ECC来加快速度
FROZEN_CORE:CFOUR默认在post-HF中不冻芯。如果设为ON,则内核轨道在post-HF过程中都被冻结。如果想设定具体哪些被冻,则用DROPMO来设定
DROPMO:如果输入比如1>10-55-58>64,就代表1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,55,58,59,60,61,62,63轨道都被冻结
FROZEN_VIRT:默认为OFF,如果设为ON,高于指定能量的虚轨道将不被考虑
HFSTABILITY:ON代表做SCF波函数稳定性测试
REFERENCE:RHF、UHF、ROHF、TCSCF(Two-configureational SCF)
RESTART_CC=1:重启CC计算
CC_CONV=N:CC收敛标准为系数最大改变值小于10^-N。默认为7。实际上此时能量变化远小于1D-7了,想节省时间的话可以事先停了


附1:BASIS关键词可用的参数(对大小写敏感)
STO-3G
3-21G
4-31G
6-31G
6-31G*
6-31G**
6-311G
6-311G*
6-311G**
DZ
DZP
TZ
TZP
TZ2P
PVDZ
PVTZ
PVQZ
PV5Z
PV6Z
PCVDZ
PCVTZ
PCVQZ
PCV5Z
PCV6Z
AUG-PVDZ
AUG-PVTZ
AUG-PVTZ
AUG-PVQZ
AUG-PV5Z
AUG-PV6Z
D-AUG-PVDZ
D-AUG-PVTZ
D-AUG-PVQZ
D-AUG-PV5Z
D-AUG-PV6Z
cc-pVDZ
cc-pVTZ
cc-pVQZ
cc-pV5Z
cc-pV6Z
cc-pCVDZ
cc-pCVTZ
cc-pCVQZ
cc-pCV5Z
cc-pCV6Z
PWCVDZ
PWCVTZ
PWCVQZ
PWCV5Z
PWCV6Z
PwCVDZ
PwCVTZ
PwCVQZ
PwCV5Z
PwCV6Z
svp
dzp
tzp
tzp2p
qz2p
pz3d2f
13s9p4d3f
WMR
ANO0
ANO1
ANO2
EVEN_TEMPERED

附2:CALC关键词可用的设定(还有些关键词比如FCI、CC4、CCSDTQPH等都需要外挂MRCC才能实现)
SCF (or HF)
MBPT(2) (or MP2)
MBPT(3) (or MP3)
SDQ-MBPT(4) (or SDQ-MP4)
MBPT(4) (or MP4)
CCD
CCSD
CCSD(T)
CCSDT-1
CCSDT-1b
CCSDT-2
CCSDT-3
CCSDT-4
CCSDT
CC2
CC3
QCISD
QCISD(T)
CID
CISD
UCC(4)
B-CCD

已有 2 条评论

  1. Leo

    注意在编译并行版本过程中,如果mkl版本在10.2update2以上,需要将 `$MKLPATH/libmkl_solver_ilp64.a` 替换为 `-L$MKLPATH -I$MKLINCLUDE`。
    详情参见:[mkl_solver* libraries are deprecated libraries since version 10.2 Update 2](https://software.intel.com/en-us/articles/mkl_solver_libraries_are_deprecated_libraries_since_version_10_2_Update_2)

    1. youyno

      请问你编译的是cfour_v1还是cfour_v2?

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