应用介绍

CP2K是一个量子化学和固态物理软件包，可以对固态，液态，分子，周期性，材料，晶体和生物系统进行原子模拟。
CP2K为不同的建模方法提供了通用框架。支持的理论水平包括DFTB，LDA，GGA，MP2，RPA，半经验方法（AM1，PM3，PM6，RM1， MNDO等）和经典力场（AMBER，CHARMM等）。
CP2K可以使用NEB或二聚体方法进行分子动力学，元动力学，蒙特卡洛，埃伦菲斯特动力学，振动分析，核心能谱，能量最小化和过渡态优化的模拟。

更多信息请参考：https://github.com/cp2k/cp2k

使用指南

平台安装有CPU/GPU等多个支持并行计算的cp2k版本，各版本在使用方法上是大同小异。目前已支持的版本信息如下：

版本	镜像名称
9.1	cp2k_9.1.sif
2022.1	cp2k_2022.1.sif
2023.1	cp2k_2023.1.sif
2023.2、2023.2（GPU）	cp2k_2023.2.sif、cp2k_gpu_2023.2.sif
2024.1、2024.1（GPU）	cp2k_2024.1.sif、cp2k_gpu_2024.1.sif
2024.2	cp2k_2024.2.sif
2024.3、2024.3（GPU）	cp2k_2024.3.sif、cp2k_gpu_2024.3.sif

用户如果没有平台作业提交的经验，可以先查看 帮助中心 - 作业系统 部分，了解作业提交的基本概念和操作方法。

准备输入文件

用户可以从如下链接获得输入文件：
https://raw.githubusercontent.com/cp2k/cp2k/master/benchmarks/QS/H2O-32.inp

也可以直接下载如下附件

h2o-32.inp

或者在个人目录下，新建cp2k目录，再在cp2k目录下创建名为H2O-32.inp的输入文件，并保存如下内容到文件中：

  EPS_CHECK_DIAG 1.0E-12
  PRINT_LEVEL LOW
  PROJECT H2O-32
  RUN_TYPE MD
&END GLOBAL

&MOTION
  &MD
    ENSEMBLE NVE
    STEPS 10
    TEMPERATURE 300.0
    TIMESTEP 0.5
  &END MD
&END MOTION

&FORCE_EVAL
  METHOD QS
  &DFT
    BASIS_SET_FILE_NAME GTH_BASIS_SETS
    POTENTIAL_FILE_NAME POTENTIAL
    &MGRID
      CUTOFF 280
      REL_CUTOFF 30
    &END MGRID
    &QS
      EPS_DEFAULT 1.0E-12
      EXTRAPOLATION_ORDER 3
      WF_INTERPOLATION PS
    &END QS
    &SCF
      IGNORE_CONVERGENCE_FAILURE
      SCF_GUESS ATOMIC
      &OT ON
        MINIMIZER DIIS
      &END OT
      # SCF_GUESS        RESTART
      # EPS_SCF      1.0E-7
      &PRINT
        &RESTART OFF
        &END RESTART
      &END PRINT
    &END SCF
    &XC
      &XC_FUNCTIONAL Pade
      &END XC_FUNCTIONAL
    &END XC
  &END DFT
  &SUBSYS
    &CELL
      ABC 9.8528 9.8528 9.8528
    &END CELL
    # 32 H2O (TIP5P,1bar,300K) a = 9.8528
    &COORD
      O       2.280398       9.146539       5.088696
      O       1.251703       2.406261       7.769908
      O       1.596302       6.920128       0.656695
      O       2.957518       3.771868       1.877387
      O       0.228972       5.884026       6.532308
      O       9.023431       6.119654       0.092451
      O       7.256289       8.493641       5.772041
      O       5.090422       9.467016       0.743177
      O       6.330888       7.363471       3.747750
      O       7.763819       8.349367       9.279457
      O       8.280798       3.837153       5.799282
      O       8.878250       2.025797       1.664102
      O       9.160372       0.285100       6.871004
      O       4.962043       4.134437       0.173376
      O       2.802896       8.690383       2.435952
      O       9.123223       3.549232       8.876721
      O       1.453702       1.402538       2.358278
      O       6.536550       1.146790       7.609732
      O       2.766709       0.881503       9.544263
      O       0.856426       2.075964       5.010625
      O       6.386036       1.918950       0.242690
      O       2.733023       4.452756       5.850203
      O       4.600039       9.254314       6.575944
      O       3.665373       6.210561       3.158420
      O       3.371648       6.925594       7.476036
      O       5.287920       3.270653       6.155080
      O       5.225237       6.959594       9.582991
      O       0.846293       5.595877       3.820630
      O       9.785620       8.164617       3.657879
      O       8.509982       4.430362       2.679946
      O       1.337625       8.580920       8.272484
      O       8.054437       9.221335       1.991376
      H       1.762019       9.820429       5.528454
      H       3.095987       9.107088       5.588186
      H       0.554129       2.982634       8.082024
      H       1.771257       2.954779       7.182181
      H       2.112148       6.126321       0.798136
      H       1.776389       7.463264       1.424030
      H       3.754249       3.824017       1.349436
      H       3.010580       4.524142       2.466878
      H       0.939475       5.243834       6.571945
      H       0.515723       6.520548       5.877445
      H       9.852960       6.490366       0.393593
      H       8.556008       6.860063      -0.294256
      H       7.886607       7.941321       6.234506
      H       7.793855       9.141028       5.315813
      H       4.467366       9.971162       0.219851
      H       5.758685      10.102795       0.998994
      H       6.652693       7.917443       3.036562
      H       6.711966       7.743594       4.539279
      H       7.751955       8.745180      10.150905
      H       7.829208       9.092212       8.679343
      H       8.312540       3.218330       6.528858
      H       8.508855       4.680699       6.189990
      H       9.742249       1.704975       1.922581
      H       8.799060       2.876412       2.095861
      H       9.505360       1.161677       6.701213
      H       9.920117      -0.219794       7.161006
      H       4.749903       4.186003      -0.758595
      H       5.248010       5.018415       0.403676
      H       3.576065       9.078451       2.026264
      H       2.720238       9.146974       3.273164
      H       9.085561       4.493058       9.031660
      H       9.215391       3.166305       9.749133
      H       1.999705       2.060411       1.927796
      H       1.824184       0.564565       2.081195
      H       7.430334       0.849764       7.438978
      H       6.576029       1.537017       8.482885
      H       2.415851       1.576460       8.987338
      H       2.276957       0.099537       9.289499
      H       1.160987       1.818023       4.140602
      H       0.350256       2.874437       4.860741
      H       5.768804       2.638450       0.375264
      H       7.221823       2.257514       0.563730
      H       3.260797       5.243390       5.962382
      H       3.347848       3.732214       5.988196
      H       5.328688       9.073059       5.982269
      H       5.007063       9.672150       7.334875
      H       4.566850       6.413356       3.408312
      H       3.273115       7.061666       2.963521
      H       3.878372       7.435003       6.843607
      H       3.884673       6.966316       8.283117
      H       5.918240       3.116802       5.451335
      H       5.355924       2.495093       6.711958
      H       5.071858       7.687254      10.185667
      H       6.106394       7.112302       9.241707
      H       1.637363       5.184910       4.169264
      H       0.427645       4.908936       3.301903
      H       9.971698       7.227076       3.709104
      H      10.647901       8.579244       3.629806
      H       8.046808       5.126383       2.213838
      H       7.995317       4.290074       3.474723
      H       1.872601       7.864672       7.930401
      H       0.837635       8.186808       8.987268
      H       8.314696      10.115534       2.212519
      H       8.687134       8.667252       2.448452
    &END COORD
    &KIND H
      BASIS_SET TZV2P-GTH
      POTENTIAL GTH-PADE-q1
    &END KIND
    &KIND O
      BASIS_SET TZV2P-GTH
      POTENTIAL GTH-PADE-q6
    &END KIND
  &END SUBSYS
&END FORCE_EVAL

提交CPU版本作业

在cp2k目录下创建作业脚本run.sh，内容如下：

#!/bin/bash

#SBATCH --job-name=cp2k-demo
#SBATCH --nodes=1
#SBATCH --ntasks-per-node=20
#SBATCH --output=%j.out
#SBATCH --error=%j.err

/opt/app/singularity/bin/singularity run  /opt/app/sif/cp2k_2024.3.sif cp2k.psmp -i H2O-32.inp

H2O-32.inp 可以替换成自己的输入文件。

使用 sbatch run.sh命令提交作业，并获得如下输出文件和日志。

提交GPU版本作业

在cp2k目录下创建作业脚本run_gpu.sh，内容如下：

#!/bin/bash

#SBATCH --job-name=cp2k-demo
#SBATCH --nodes=1
#SBATCH --ntasks-per-node=20
#SBATCH --output=%j.out
#SBATCH --error=%j.err
#SBATCH --gres=gpu:1

export PATH=/usr/local/cuda/bin:/usr/local/nvidia/bin:$PATH
export CUDA_PATH=/usr/local/cuda
export NVIDIA_PATH=/usr/local/nvidia
export LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/nvidia/lib:$LD_LIBRARY_PATH
export LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/cuda/lib64:$LD_LIBRARY_PATH

/opt/app/singularity/bin/singularity run --nv -B /usr/local/nvidia:/usr/local/nvidia /opt/app/sif/cp2k_gpu_2024.3.sif cp2k.psmp -i H2O-32.inp

使用 sbatch run_gpu.sh命令提交作业。

GPU加速的加速效果对比

以下测试对象均为同一个输入文件，可以看到在使用GPU的情况下有明显的加速效果。
1.仅使用20核CPU并行计算，耗时为1m8s。

2.使用20核CPU并行计算，并使用1张Tesla V100-SXM2-32GB进行加速，耗时为42s。