VASP应用运行优化
VASP参数设置详解解读
VASP参数设置详解计算材料2010-11-30 20:11:32 阅读197 评论0 字号：大中小订阅转自小木虫，略有增减软件主要功能：采用周期性边界条件（或超原胞模型）处理原子、分子、团簇、纳米线（或管）、薄膜、晶体、准晶和无定性材料，以及表面体系和固体l 计算材料的结构参数（键长、键角、晶格常数、原子位置等）和构型l 计算材料的状态方程和力学性质（体弹性模量和弹性常数）l 计算材料的电子结构（能级、电荷密度分布、能带、电子态密度和ELF）l 计算材料的光学性质l 计算材料的磁学性质l 计算材料的晶格动力学性质（声子谱等）l 表面体系的模拟（重构、表面态和STM模拟）l 从头分子动力学模拟l 计算材料的激发态（GW准粒子修正）计算主要的四个参数文件：INCAR ,POSCAR,POTCAR ,KPOINTS,下面简要介绍，详细权威的请参照手册INCAR文件：该文件控制VASP进行何种性质的计算，并设置了计算方法中一些重要的参数，这些参数主要包括以下几类：对所计算的体系进行注释：SYSTEM●定义如何输入或构造初始的电荷密度和波函数：ISTART，ICHARG，INIWA V●定义电子的优化–平面波切断动能和缀加电荷时的切断值：ENCUT，ENAUG–电子部分优化的方法：ALGO，IALGO，LDIAG–电荷密度混合的方法：IMIX，AMIX，AMIN，BMIX，AMIX_MAG，BMIX_MAG，WC，INIMIX，MIXPRE，MAXMIX–自洽迭代步数和收敛标准：NELM，NELMIN，NELMDL，EDIFF●定义离子或原子的优化–原子位置优化的方法、移动的步长和步数：IBRION，NFREE，POTIM，NSW–分子动力学相关参数：SMASS，TEBEG，TEEND，POMASS，NBLOCK，KBLOCK，PSTRESS–离子弛豫收敛标准：EDIFFG●定义态密度积分的方法和参数–smearing方法和参数：ISMEAR，SIGMA–计算态密度时能量范围和点数：EMIN，EMAX，NEDOS–计算分波态密度的参数：RWIGS，LORBIT●其它–计算精度控制：PREC–磁性计算：ISPIN，MAGMOM，NUPDOWN–交换关联函数：GGA，VOSKOWN–计算ELF和总的局域势：LELF，LVTOT–结构优化参数：ISIF–等等。
利用PWmat-和VASP做分子动力学
利用PWmat 与VASP做分子动力学一、资料1、VASPvasp做分子动力学的好处，由于vasp是近些年开发的比较成熟的软件，在做电子scf速度方面有较好的优势。
缺点：可选系综太少。
尽管如此，对于大多数有关分子动力学的任务还是可以胜任的。
主要使用的系综是NVT和NVE。
一般做分子动力学的时候都需要较多原子，一般都超过100个。
当原子数多的时候，k点实际就需要较少了。
有的时候用一个k点就行，不过这都需要严格的测试。
通常超过200个原子的时候，用一个k点，即Gamma点就可以了。
主要参数：INCAR：EDIFF 一般来说，用1E-4或者1E-5都可以，这个参数只是对第一个离子步的自洽影响大一些，对于长时间的分子动力学的模拟，精度小一点也无所谓，但不能太小。
IBRION=0 分子动力学模拟IALGO=48 一般用48，对于原子数较多，这个优化方式较好。
NSW=1000 多少个时间步长。
POTIM=3 时间步长,单位fs,通常1到3.ISIF=2 计算外界的压力.NBLOCK= 1 多少个时间步长，写一次CONTCAR，CHG和CHGCAR，PCDAT.KBLOCK=50 NBLOCK*KBLOCK个步长写一次XDATCAR.ISMEAR=-1 费米迪拉克分布.SIGMA =0.05 单位:电子伏NELMIN=8 一般用6到8,最小的电子scf数.太少的话,收敛的不好.LREAL=AAPACO=10 径向分布函数距离,单位是埃.NPACO=200 径向分布函数插的点数.LCHARG=F 尽量不写电荷密度,否则CHG文件太大.TEBEG=300 初始温度.TEEND=300 终态温度。
不设的话，等于TEBEG.SMASS=-3 NVE ensemble；-1 用来做模拟退火；大于0 NVT 系综。
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////1)收敛判据的选择结构弛豫的判据一般有两种选择：能量和力。
VASP遇到一些问题总结
VASP 计算过程中遇到的问题总结01、第一原理计算的一些心得（1）第一性原理其实是包括基于密度泛函的从头算和基于Hartree-Fock自洽计算的从头算，前者以电子密度作为基本变量（霍亨伯格-科洪定理），通过求解Kohn-Sham方程，迭代自洽得到体系的基态电子密度，然后求体系的基态性质；后者则通过自洽求解Hartree-Fock 方程，获得体系的波函数，求基态性质；评述：K-S方程的计算水平达到了H-F水平，同时还考虑了电子间的交换关联作用。
（2）关于DFT中密度泛函的Functional，其实是交换关联泛函包括LDA，GGA，杂化泛函等等一般LDA为局域密度近似，在空间某点用均匀电子气密度作为交换关联泛函的唯一变量，多数为参数化的CA-PZ方案；GGA为广义梯度近似，不仅将电子密度作为交换关联泛函的变量，也考虑了密度的梯度为变量，包括PBE,PW,RPBE等方案，BLYP泛函也属于GGA；此外还有一些杂化泛函，B3LYP等。
（3）关于赝势在处理计算体系中原子的电子态时，有两种方法，一种是考虑所有电子，叫做全电子法，比如WIEN2K中的FLAPW方法(线性缀加平面波)；此外还有一种方法是只考虑价电子，而把芯电子和原子核构成离子实放在一起考虑，即赝势法，一般赝势法是选取一个截断半径，截断半径以内，波函数变化较平滑，和真实的不同，截断半径以外则和真实情况相同，而且赝势法得到的能量本征值和全电子法应该相同。
赝势包括模守恒和超软，模守恒较硬，一般需要较大的截断能，超软势则可以用较小的截断能即可。
另外，模守恒势的散射特性和全电子相同，因此一般红外，拉曼等光谱的计算需要用模守恒势。
赝势的测试标准应是赝势与全电子法计算结果的匹配度，而不是赝势与实验结果的匹配度，因为和实验结果的匹配可能是偶然的。
（4）关于收敛测试（a）Ecut，也就是截断能，一般情况下，总能相对于不同Ecut做计算，当Ecut增大时总能变化不明显了即可；然而，在需要考虑体系应力时，还需对应力进行收敛测试，而且应力相对于Ecut的收敛要比总能更为苛刻，也就是某个截断能下总能已经收敛了，但应力未必收敛。
VASP操作介绍-两次课
化学家习惯的原子轨道的概念相联系，即其结果与化学家
所感兴趣的成键和轨道作用图象很难联系出来，这就为我 们计算结果的分析带来了困难； 2) 考察某些物理量时，例如原子电荷，涉及到积分范围的选 取，这造成所得物理量的绝对值意义不大； 3) 有些方法，例如杂化密度泛函方法不易于采用平面波基组 方法实现。
3. VASP程序基本知识
相同的精度；
3) 很方便地采用快速傅立叶变换 (FFT) 技术，使能量、力 等的计算在实空间和倒易空间快速转换，这样计算尽可
能在方便的空间中进行；
4) 计算的收敛性和精确性比较容易控制，因为通过截断能 的选择可以方便控制平面波基组的大小。
平面波基组方法的不足之处：
1) 所求得的波函数很难ห้องสมุดไป่ตู้找出一个直观的物理或化学图象与
这样，电子波函数可以写为平面波的加和：
i ( k e G )r i (r ) c i , k G G
根据密度泛函理论，波函数通过求解Kohn—Sham方程来确定：
2 2 [ Vion (r ) VH (r ) V XC (r )] i (r ) i i (r ) 2m i：Kohn—Sham本征值
截至能的大小直接影响到计算结果的精度和计算速度，
因此，它是平面波计算方法的一个重要参数。 理论上截断能越大计算结果也可靠，但截至能大小决定 了计算中平面波的数目，平面波数目越多计算时间约长、内 存开销越大。 一般根据所求物理量来确定截至能，例如计算体模量以 及弹性系数时，需要较高的截至能，而通常的构型优化只要
4) 严格意义上，通过考察体系总能量/能量差值对真空 区大小的收敛情况来确定合理的平移矢量长度。
tal energy
VASP全参数设置详解
VASP参数设置详解软件主要功能：采用周期性边界条件（或超原胞模型）处理原子、分子、团簇、纳米线（或管）、薄膜、晶体、准晶和无定性材料，以及表面体系和固体l 计算材料的结构参数（键长、键角、晶格常数、原子位置等）和构型l 计算材料的状态方程和力学性质（体弹性模量和弹性常数）l 计算材料的电子结构（能级、电荷密度分布、能带、电子态密度和ELF）l 计算材料的光学性质l 计算材料的磁学性质l 计算材料的晶格动力学性质（声子谱等）l 表面体系的模拟（重构、表面态和STM模拟）l 从头分子动力学模拟l 计算材料的激发态（GW准粒子修正）计算主要的四个参数文件：INCAR ,POSCAR,POTCAR ,KPOINTS,下面简要介绍，详细权威的请参照手册INCAR文件：该文件控制VASP进行何种性质的计算，并设置了计算方法中一些重要的参数，这些参数主要包括以下几类：对所计算的体系进行注释：SYSTEM定义如何输入或构造初始的电荷密度和波函数：ISTART，ICHARG，INIWAV定义电子的优化–平面波切断动能和缀加电荷时的切断值：ENCUT，ENAUG–电子部分优化的方法：ALGO，IALGO，LDIAG–电荷密度混合的方法：IMIX，AMIX，AMIN，BMIX，AMIX_MAG，BMIX_MAG，WC，INIMIX，MIXPRE，MAXMIX–自洽迭代步数和收敛标准：NELM，NELMIN，NELMDL，EDIFF定义离子或原子的优化–原子位置优化的方法、移动的步长和步数：IBRION，NFREE，POTIM，NSW –分子动力学相关参数：SMASS，TEBEG，TEEND，POMASS，NBLOCK，KBLOCK，PSTRESS–离子弛豫收敛标准：EDIFFG定义态密度积分的方法和参数–smearing方法和参数：ISMEAR，SIGMA–计算态密度时能量范围和点数：EMIN，EMAX，NEDOS–计算分波态密度的参数：RWIGS，LORBIT其它–计算精度控制：PREC–磁性计算：ISPIN，MAGMOM，NUPDOWN–交换关联函数：GGA，VOSKOWN–计算ELF和总的局域势：LELF，LVTOT–结构优化参数：ISIF–等等。
个人非常好的VASP学习与总结
个人非常好的VASP学习与总结VASP（Vienna Ab initio Simulation Package）是一种用于计算材料电子结构和材料性质的第一性原理软件包。
它是由奥地利维也纳大学的Peter Blöchl教授和Jürgen Hafner教授等人开发的。
VASP广泛应用于材料科学、凝聚态物理、表面科学、催化化学等领域，并且已成为当前计算材料科学研究中的重要工具。
我的VASP学习与总结主要包括以下几个方面：一、理论基础在学习VASP之前，我首先了解了从头计算的理论基础。
这包括了量子力学、自旋极化的密度泛函理论、平面波基组和赝势等关键概念。
我通过阅读相关文献和教材，深入理解了这些理论基础，并通过编程实现了一些基本的从头计算算法，如Hartree-Fock法和密度泛函理论。
二、VASP软件架构和输入文件学习VASP的过程中，我详细了解了VASP的软件架构和输入文件的格式。
VASP的软件架构分为主程序和一系列的预处理工具、后处理工具和与其他软件的接口。
对于输入文件，我了解了INCAR文件中的各种参数，如体系的描述、计算方法、收敛准则等；POSCAR文件中的晶体结构描述；KPOINTS文件中的k点网格描述等。
我还学习了如何使用VASP进行周期性边界条件下的能带计算、电子密度计算和弛豫力计算等。
三、VASP计算结果的解析和可视化VASP计算得到的结果需要进一步解析和可视化。
我学习了使用一些常用的后处理工具，如VASP可视化工具、VESTA和XCrysDen等，来分析和可视化VASP计算的结果。
这些工具可以帮助我理解晶体结构、电子能带结构以及电荷分布等。
四、VASP参数优化和计算效率为了得到准确的计算结果，我尝试了调整VASP计算中的一些参数，如波函数截断、k点密度、能量收敛准则等，以获得更准确的计算结果。
此外，我还学习了使用并行计算技术来提高VASP计算的效率，如MPI和OpenMP等，并了解了VASP在高性能计算集群上的使用方法。
vasp做大体系结构优化
Vasp对大体系的结构优化ENCUTvasp运行时间主要消耗在对角化上。
运行时间正比于NBANDS*NPLNW2，前者是能带数目，后者是平面波数目；由于NPLNW∝ENCUT3/2，故运行时间正比于ENCUT3。
运行时间也正比于NELECT3，电子数目三次方。
IALGO选择对角化算法：对于小体系，用IALGO=38（Davidson algorithm）；对于大体系，用IALGO=48（RMM-DIIS）。
可以设置ALGO=very fast or fast。
RMM-DIIS并行效率比Davidson algorithm高一些。
NPAR如果IALGO=38，则NPAR取1。
对IALGO=48，影响不是特别大，可选2或4，可选节点数，取值越大，内存占用越多。
并行效率总是低于线性叠加效率的，核越多并行效率越低。
所以对于一定核（如20），一定作业（如2个），同时算（每个作业10个核）比先后算（每个作业20个核）要更节约时间。
LREAL 控制赝势能量的非局域部分如何计算(k 空间或实空间）。
大体系，如果用集群算，可以考虑让NPAR=节点的CPU数。
LREAL对k-空间，计算量正比于平面波数目(∝ENCUT3/2*a1*a2*a3)。
小于25个原子，可用K空间。
实空间计算依赖体系大小。
对大体系用LREAL = Auto or LREAL = .Ture. 。
KPAR设置KPAR为计算节点数或K点数。
KPAR用来设置K点的计算并行度。
每个K点用N/KPAR个核来计算，N 为总核数。
核数很多时（>100)，这个参数的影响比较大。
NELECTNELECT= [real]DefaultNELECT=- (number of valence electrons) 价电子数NELECT = number of electrons 电子数Usually you should not set this line -- the number of electrons is determined automatically from POTCAR (ZVAL of the element) and POSCAR (number of the atoms of the respective atom type).通常这个参数是不需要手动设置的—电子数将自动的从POTCAR（元素的类型）和POSCAR中确定（每种类型原子数）If the number of electrons is not compatible不匹配 with the number derived from来源于 the valence 化合价 and the number of atoms a homogeneous均匀的、同类的 background-charge is assumed.如果电子数与来源于化合价的电子数不一样，就假定这些数目的原子具有均匀的背景电荷。
VASP操作介绍两次课
说明：本PPT主要内容参考网络资源，其用于教学 是合适的。 主要参考：计算材料学：杨振华。
VASP计算软件包简介
VASP，其全称是Vienna Ab-initio Simulation Package。 VASP是一种使用赝势和平面波基组进行从头量子力学分 子动力学计算和第一性原理计算的软件包。 VASP主要用于具有周期性的晶体或表面的计算，可以采 用大单胞，也可以用于处理小的分子体系。
-10.65
-10.70
-10.75
-10.80
100
150
200
250
300
Cutoff energy (eV)
硅体相总能量随cutoff energy大小的变化情况
5. VASP输入和输出文件：
输入文件(文件名必需大写)
INCAR : 其内容为关键词，确定了计算参数以及目的； POSCAR : 构型描述文件，主要包括平移矢量、原子类
i(r)eikrfi(r)
其中，单胞部分的波函数可以用一组在倒易空间的平面
波来表示：
fi(r)
c e iGr i,G
G
这样，电子波函数可以写为平面波的加和：
i(r)
c e i(kG )r i,kG
G
根据密度泛函理论，波函数通过求解Kohn—Sham方程来确定：
[ 2 m 2 2 V io (r ) n V H (r ) V X(r C )] i(r )i
6. VASP安装和运行：
(1) VASP程序安装： a. 设置编译环境：安装Fortran编译器，常用为IFC b. 对于并行版本vasp的编译，还需安装MPICH c. 编译vasp自带的库文件 d. 对makefile进行修改，包括BLAS和Lapack库文件所在
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首先，引用一段话来表明，在 VASP 计算中，具体问题具体测试的必要性：
”Geun Ho Gu, University of Delaware For the NPAR, I recommend doing a test to find out the most efficient number. e.g. run a same calculations multiple times with different NPAR. Also, do the same for LPLANE parameter as well. The manual instructs to use the number of node as NPAR as each parallel calculation can be run at each node minimizing communication overhead between each node. If not optimized, VASP takes extra time to comminucate between nodes, eating up your computation time. However, I have found that this instruction does not always hold up, and, really, this parameter is heavily dependent on the batch server/ node configuration. So, it is wise to do your own test to optimize this parameter (and other parameters as well). ”
7.6 KNL 节点运行结果 (开启超线程) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
7.7 多种编译选项与数学库测试结果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1
1 动机
在校内乃至全球范围内，VASP 应用占用了很大一部分超算资源，所以对其计算速度与计算有效性的改进非常重要，可以 显著提升超算资源的使用效率与用户体验。本文将从应用并行参数方面来展示 VASP 的优化运行测试，希望不仅能给用户的 VASP 使用提供计算指导，还计划能以测试经验为基础，在 VASP 作业运行前，自动化的检测分析用户设定的各种系统与应用 的并行参数问题，在不影响计算结果的前提下，给出优化设置建议。本文档简明总结了一些早期的相对丰富的探索，先行提供给 用户参考，并期望得到足够反馈，以便进一步改进与完善，得到更加可靠有用的经验基础。
5.2 硬件适应性优化结论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
6 应用编译优化
6
6.1 编译选项与数学库 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
VASP 应用运行优化
张文帅 wszhang@
April 8, 2018
Contents
1 动机
2
2 问题
2
3 计算对象
2
4 并行参数优化2Fra bibliotek4.1 应用输入参数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
6.2 编译优化结论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
7 测试数据汇总
7
7.1 E5V4 节点运行结果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
7.2 测试单节点核心数可被 NCORE 整除时是否更优 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
7.3 E5V3 节点测试结果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4.2 应用参数优化结论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
5 硬件适应性分析
4
5.1 测试硬件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
7.4 E3V5 节点运行结果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
7.5 Fat144 节点运行结果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11