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1 物理化学理论模拟与并行计算 技术支持中心占杰 1/114

2 Contents 1. 物理化学领域理论计算概述 2. 高性能计算的并行体系 3. 高性能集群作业调度 4. Gaussian 应用示例 5. Materials Studio 应用示例 6. VASP 应用示例 2/114

3 Contents 1. 物理化学领域理论计算概述 2. 高性能计算的并行体系 3. 高性能集群作业调度 4. Gaussian 应用示例 5. Materials Studio 应用示例 6. VASP 应用示例 3/114

4 进入 21 世纪以来, 计算方法与分子模拟 虚拟实 验, 已经继实验方法 理论方法之后, 成为第三个重要的科学方法, 对未来科学与技术的发展, 将起着越来越重要的作用 徐光宪院士 4/114

5 Computational R&D is growing in relative importance 2002: 20 % modeling 80 % experiment 2030: 50 % modeling 50 % experiment 1995: 10 % modeling 90 % experiment /114

6 物理化学领域的理论计算 计算机迅速发展 大型量子化学软件包 模型化学 对化学体系或过程简化或理想化 便于计算和预测化学结构, 性质和功能 气态分子 :0K 气体状态 ; 液体和固体 : 大晶胞的周期结构 溶剂效应 : 连续可极化模型 6/114

7 理论化学计算的两种基本方法 模型化学 量子化学方法 (QM) <500 电子 准确, 化学键 分子力学方法 (MM) ~1 万 100 万 原子 粗略, 只有结构 二者杂化方法 (QM/MM) ( 内层用量子化学方法, 外层用分子力学方法 ) 7/114

8 物理化学研究的对象及其理论描述 分子 团簇 晶胞 原子 原子核 ( 经典力学 ) 内层电子 原子芯 核外电子 ( 量子力学 ) 价层电子 8/114

9 计算方法 分子力学 : MM 半经验方法 : MNDO CNDO 从头计算方法 (ab initio methods): HF post-scf ( MP2 CI CCSD CASSCF ) 密度泛函理论 : DFT 量子力学与分子力学结合 : QM/MM; 9/114

10 量子力学方法 量子化学是关于分子中电子性质的理论 只有它才能研究化学键的生成和断裂 量子化学的发展主线 价键理论 (Pauling,1954) 分子轨道理论 (Mulliken,1966) 前线轨道理论,HOMO+LUMO(Fukui,1981) Woodward-Hoffman 规则 (Hoffmann, 1981) 实用阶段 (Pople, 1998, Gaussian 程序 ) (Kohn, 1998, 密度泛函理论 ) 10/114

11 Gaussian 软件提供的各种量化计算方法 HF (Hartree-Fock 方法, 默认 ) B3LYP ( 用 B3LYP 杂化泛函做 DFT 计算 ) MPx ( 在 HF 计算结果的基础上做 MPx 微扰校正,x= ) CCD ( 双取代耦合簇方法 ) CCSD ( 单 双取代耦合簇方法 ) CID ( 双取代组态相互作用 ) CISD ( 单 双取代组态相互作用 ) AM1 (AM1 半经验算法 ) PM3 (PM3 半经验算法, 无需设定基组 ) 11/114

12 量化计算方法的各级近似分类 零级一级高级组合 1. 波函数单 Slater 行列式 ( 稳定分子 ) 2. Hamilton 量 Hatree-Fock (RHF, UHF) 多行列式 CI, CASSCF MP2, MP4, CCSD, QCISD CASPT2 3. DFT 局域密度近似 (LDA) GGA (B3LYP, BLYP, PBE) 4. 基组 (MO-LCAO) STO-3G 6-31G 系列 Aug-cc-pVnZ 12/114

13 各种理论模拟方法的适用范围 分子力学 最大原子数 2000 ~ 100 万 可计算量 粗略的几何结构 半经验 HF(DFT) MP2 500 ~ ~ ~ 50 几何结构 ( 有机分子 ) 能量 ( 含过渡金属 ) 能量 ( 弱, 氢键 ) CCSD(T) 10 ~ 20 精确能量 ( 弱作用 ) CASPT2 < 10 磁性 ( 多个多重度 ) 13/114

14 如何满足高精度计算的需求? 并行计算 从系统的角度 : 集成系统资源, 以满足不断增长的对性能和功能的要求 从应用的角度 : 适当分解应用, 以实现更大规模或更细致的计算 降低单个问题求解的时间. 增加问题求解规模. 提高吞吐率 ( 多机同时执行多个串行程序 ). 14/114

15 Contents 1. 物理化学领域理论计算概述 2. 高性能计算的并行体系 3. 高性能集群作业调度 4. Gaussian 应用示例 5. Materials Studio 应用示例 6. VASP 应用示例 15/114

16 并行计算? 分而治之! 资料来源 : Tim Mattson Intel Co. Com. Science Lab. Rudolf Eigenmann Purdue Uni. School of Elec. and Comp. Eng. 16/114

17 并行计算的实施 并行的硬件基础 :SMP v.s. Cluster SMP 基于单节点 Cluster 由多个 SMP 节点组成 并行的软件基础 :OpenMP v.s. MPI OpenMP 基于多线程概念, 只能运行在单节点之内 MPI 基于多进程概念, 既可在单节点内多 CPU 并行, 又可实现跨节点并行 17/114

18 并行计算的硬件体系 并行计算机就是由多个处理单元组成的计算机系统, 这些处理单元相互通信和协作以快速 高效求解大型复杂问题 处理单元有多少处理单元的功能有多强处理单元之间怎样连接处理单元的数据如何传递各处理单元如何相互协作并行程序如何编写 18/114

19 对称多处理机系统 (SMP) SMP 对称式共享存储 : 任意处理器可直接访问任意内存地址, 且访问延迟 带宽 机率都是等价的 ; 系统是对称的 ; 微处理器 : 一般少于 64 个 ; 处理器不能太多, 总线和交叉开关的一旦作成难于扩展 ; 例子 : IBM R50, SGI Power Challenge, SUN Enterprise, 曙光一号 ; 19/114

20 机群系统 (Cluster) Cluster 每个节点都是一个完整的计算机 各个节点通过高性能网络相互连接 网络接口和 I/O 总线松耦合连接 每个节点有完整的操作系统 曙光 , ASCI Blue Mountain 20/114

21 集群系统的体系结构 21/114

22 集群系统的物理架构 22/114

23 并行计算的软件体系 多线程库标准 Win32 API. POSIX threads. 编译制导标准 OpenMP 可移植共享存储并行编程标准. 消息传递库标准 MPI PVM 23/114

24 OpenMP 并行编程模式 串行程序的循环语句前插入特定的制导语句, 告知编译系统一些有助于对其进行并行的信息, 以及 / 或是强制编译系统按照指定的方式将其并行化 主要应用与 SMP 构架 结合编译系统的自动并行化功能使用 某些自动化工具, 可对程序结构及数据流分析, 自动插入适当的 OpenMP 语句 优点 : 简单, 不需对原算法 / 程序作大的改动, 缺点 : 只适合某些机型, 且可扩展性不如消息传递 对某些具有强数据相关的过程需改变计算顺序, 或修改算法 24/114

25 MPI 并行编程模式 Massage Passing Interface: 是消息传递函数库的标准规范, 支持 Fortran 和 C 并行程序由一组独立的进程组成, 相互通过发送消息实现数据交换 并行应用程序开发的最底层编程方式之一, 很多其他并行开发语言 / 工具将程序转化成消息传递类型实现 优点 : 通用性好, 基于 MPI 编写的程序可用于任何并行机 ;MPI 已在 IBM PC 机上 MS Windows 上 所有主要的 Unix 工作站上和所有主流的并行机上得到实现 使用 MPI 作消息传递的 C 或 Fortran 并行程序可不加改变地运行在 IBM PC MS Windows Unix 工作站 以及各种并行机上 缺点 : 编制 调试困难, 有时需对程序算法做大的改动 25/114

26 OpenMP 与 MPI 阵营对比 MPI: vasp, crystal, q-chem, molcas, molpro, adf, turbomol, amber,dalton, nwchem, mpqc, aces, OpenMP+Linda: Gaussian, Jaguar 26/114

27 并行计算的硬件需求 CPU: 速度快, 单节点 CPU 数量多, 相互之间并行效率高 ; 内存 : 越多越好, 通常建议每个 CPU 核心配 2G 内存 ; 硬盘 : 涉及到缓存文件的读写,I/O 速度越快越好 ; 网络 : 节点之间通信速度越高越好 ; 27/114

28 CPU:AMD 六核皓龙 处理器 - 代号 Istanbul 更多的功能 适应大量的平台设计 工作应用优化 优化 CPU 敏感型和内存 /IO 敏感型的应用 总体成本的优势 一致, 通用和设计 高效能帮助降低 TCO( 总拥有成本 ) 28/114

29 AMD 六核皓龙 处理器 ( Istanbul ) 真六核 全新的 HyperTransport 超传输 HT Assist 增强的超传输 (HT3) 带宽 更高性能的集成内存控制器 与四核相同的功耗 / 散热设计 与四核 AMD 皓龙 处理器 上海 * 相比, 性能提升 30% Series Model Cores Freq NB Wattage L2 Cache L3 Cache Production GHz GHz GHz 2.2GHz 75W 512K/ core 6MB May GHz GHz HE 2.1 GHz HE GHz 2.2 GHz 55W 512K/ core 6MB Q HE 2.0 GHz SE 2.8 GHz SE 2.8 GHz 2.2 GHz 105W 512K/ core 6MB Q EE 6 1.8GHz 2.0GHz TBD 512K/ core 6MB Q *Based on internal testing at AMD performance 物理化学理论模拟与并行计算 labs as of 3/27/09. For configuration and performance information see slide /114

30 伊斯坦布尔 中的创新 特点描述好处 六核 HT Assist Socket F (1207) 支持六核 在多处理器系统减少侦听流量和更快地解决侦听问题 提升性能 提升超传输总线的效率 更高性能的超传输 3.0 技术最大每个通道 4.8GT/s 提升系统整体性能 APML 远程电源管理接口 (RPMI) 远程监控和 P 状态的限制与控制 降低处理器功耗 x8 ECC 支持 x4 和 x8 纠错出众的可靠性 继续支持即插升级 F (1207) 相同的功耗, 六核投资保护 30/114

31 HT Assist 的重要性 HT Assist 在 4 路和 8 路系统中通过减少缓存的侦听流量来显著提升系统性能 4 路系统的内存带宽性能可以提升 ~60% (41.5GB/s 有 HT Assist vs. 25.5GB/s 没有 HT Assist) 1 对于缓存敏感型应用可以提升性能 : 数据库 虚拟化 HPC = 数据请求 = 数据回应 = 侦听请求 = L3 目录 = 侦听回应 = 读目录 Query Example Without HT Assist CPU 1 CPU 2 L3 L3 CPU 3 CPU 4 L3 L3 10 transactions With HT Assist CPU 1 CPU 2 L3 1 L3 CPU 3 CPU 4 L3 L3 2 transactions 1 Based on measurements at AMD performance labs as of May 8, Please see backup slides for configuration information. 31/114

32 在近似的功耗范围内, 实现更高性能 配置六核 AMD 皓龙 处理器的两路服务器与配置双核 四核的 AMD 皓龙 处理器的服务器在功耗近似的情况下, 性能实现大幅度的提升 Relative Performance 700% 600% 500% 400% 300% 200% 100% SPECfp _rate2006 SPECint _rate2006 SPECjbb 2005 Server Idle Power 3x core count >3x performance Same power envelope 0% Dual-Core AMD Opteron processor Model 2218 (2.6GHz) Quad-Core AMD Opteron processor ("Shanghai") Model 2382 (2.6GHz) Si x-cor e AMD Opteron processor ("Istanbul") Model 2435 (2.6GHz) SPEC, SPECfp, SPECint, and SPECjbb are registered trademarks of the Standard Performance Evaluation Corporation. The performance results for Six-Core AMD Opteron processor Model 2435 and the SPECjbb result for Quad-Core AMD Opteron processor Model 2382 are based upon data submitted to Standard Performance Evaluation Corporation as of May 21, The other performance results stated below reflect results published on as of May 21, The server idle power results are based on measurements of server active idle power for 60 seconds at AMD performance labs as of May 21, The comparison presented below is based on the best performing two-socket servers using AMD Opteron processor Models 2218, 2382, and For the latest results, visit Please see backup slides for configuration information. 32/114

33 出众的四路服务器性能 配置六核 AMD 皓龙 处理器的服务器在多种应用中完胜配置六核 Intel Xeon 处理器的服务器 SPECint _rate2006 SPECjbb % 86% Four-Socket Server Performance Summary 137% 137% SPECfp _rate2006 STREAM (GB/ s) 89% 100% 177% 467% 0% 50% 100% 150% 200% 250% 300% 350% 400% 450% 500% Six-Core AMD Opteron processor ("Istanbul") Model 8435 (2.6GHz) Hex-Core Intel Xeon processor ("Dunnington") Model X7460 (2.66GHz / 130W TDP) Hex-Core Intel Xeon processor ("Dunnington") Model E7450 (2.4GHz / 90W TDP) SPEC, SPECint, SPECjbb, and SPECfp are registered trademarks of the Standard Performance Evaluation Corporation. The results for Six-Core AMD Opteron TM processors are based upon data submitted to Standard Performance Evaluation Corporation as of May 26, The other results stated above reflect results published on as of May 26, STREAM results are based on measurements at AMD performance labs as of May 26, The comparisons presented above are based on the best performing four-socket servers using AMD Opteron processor Model 8435 and Intel Xeon processor Models E7450 and X7460. For the latest results, visit Please see backup slides for configuration information. 33/114

34 双路四核 CPU 并行速度对比 Test397 l502: #p rb3lyp/3-21g force test scf=novaracc Opteron 2.6GHz N-porc G03 Total CPU Time (s) 效率加速比 Xeon 2.27GHz N-porc G03 Total CPU Time (s) 效率加速比 /114

35 AMD 双路六核 CPU 并行效率 Test397 l502: #p rb3lyp/3-21g force test scf=novaracc Opteron 2.4GHz N-porc G03 Total CPU Time (s) 效率加速比 /114

36 12 AMD 双路六核 CPU 加速比 /T 核 / 4 核 = Number of CPU 36/114

37 网络 :InfiniBand 传统 TCP/IP 协议的多层次结构使得复杂的缓冲管理带来很大的网络延迟和操作系统的额外开销问题 需要一种开放 高带宽 低延迟 高可靠以及满足集群无限扩展能力的以交换为核心的体系架构 InfiniBand 应运而生 37/114

38 InfiniBand 发展历程 1999 首次提出 2004 年调整定位 得到主流服务器生产链上厂商的一致追捧, 但由于协议 软件支持 最初定位问题等, 导致应用受到限制, 包括 Intel 等厂商一度撤出投资 调整定位于存储网络 计算网络的应用, 软件方面成立开源的 OpenIB 组织, 甚至推出了 IP over InfiniBand 的协议转换,InfiniBand 又开始得到欢迎 38/114

39 InfiniBand 体系架构 InfiniBand 标准定义了一套用 于系统通信的多种设备, 包括信道适配器 交换机和路由器 目标 TCA 信道适配器用于同其它设备的连接, 包括主机信道适配器 (HCA) 和目标信道适配器 (TCA) 交换机是 InfiniBand 结构中的基本组件 CPU CPU CPU 主机内部互联 内存控制器 系统内存 HCA 链路 链路 交换机 链路 xca 链路 TCA xca 目标 链路 点到点的交换结构 : 解决了共享总线 容错性和可扩展性问题 路由器 xca= HCA 或 TCA 网络 路由器 具有物理层低功耗特点和箱外带宽连接能力 39/114

40 高速度 InfiniBand 的特点 目前 Infiniband 主流技术为 DDR 技术, 所支持的吞吐量为 5 20 或 60Gbps 下一代采用 QDR, 带宽最高可达 120Gbps 远程直接内存存取功能该功能对于集群来说很适合, 因为它可以通过一个虚拟的寻址方案, 让服务器知道和使用其他服务器的部分内存, 无需涉及操作系统的内核 传输卸载远程直接内存存取能够帮助传输卸载, 后者把数据包路由从 OS 转到芯片级, 节省了处理器的处理负担 曙光 5000A 采用基于 DDR 的 Infiniband 计算网络, 实现了节点间 20Gb/s 的传输速度, 达到当时业界最快的小于 1.3us 延时,Linpack, 测试并行效率高达 77.35% MPI 结合 InfiniBand,, 有望实现高效率的多节点并行 应用软件对其支持越来越广泛, 如 VASP 软件在传统以太网上的并行上限设定为 16 个核心, 改用 InfiniBand 可以实现更大规模的并行计算 40/114

41 Contents 1. 物理化学领域理论计算概述 2. 高性能计算的并行体系 3. 高性能集群作业调度 4. Gaussian 应用示例 5. Materials Studio 应用示例 6. VASP 应用示例 41/114

42 机群使用中的问题 机群结构的松散性 节点类型的差别 (CPU 类型 内存大小 数量等 ) 系统资源丰富 ( 节点 /CPU) 用户不同类型的作业 ( 串行 / 并行 ) 用户可以使用资源的限制 42/114

43 任务管理系统的功能 单一系统映象 机群松散的结构的整合 系统资源整合 异构系统的整合 多用户的管理 用户提交的任务的统一安排, 避免冲突 用户权限的管理 非授权用户的控制 43/114

44 作业管理系统的组成 资源管理器 : 管理集群的硬件资源及认证信息等 队列管理器 : 管理当前所有已提交但还未完成的作业 调度器 : 为作业分配资源 44/114

45 作业管理系统的结构 45/114

46 PBS 的技术特色 力求控制对批处理的初始化和调度执行, 允许作业在不同主机间的路由 独立的调度模块存有各个可用的排队作业 运行作业和系统资源使用信息, 并且允许系统管理员定义资源和每个作业可使用的数量 在作业调度策略上,PBS 提供了默认的公平共享和独占 FIFO 调度策略, 还提供了 TCL BACL C 三种过程语言和调度类, 并定义了一些调度需要的函数和完整的 API, 方便实现新的调度策略 提供文件传送,File Stage-in 和 Stage-out 满足 POSIX1003.2d 标准, 支持作业依赖, 和完整的安全认证 提供用户映射功能, 使 PBS 能用于用户不一致的系统中 2010 年 3 月 46/58 46/114

47 PBS 的结构 2010 年 3 月 47/58 47/114

48 PBS 的组成 PBS 基本组件 pbs command: 用于提交 监视 修改和删除作业 pbs server: 提供基本的批处理服务, 例如接收 / 创 建一个批处理作业, 管理维护作业队列, 管理输出结果等 pbs mom: 是一个守护进程, 从 pbs server 处接收作业后放入其执行队列中等待执行 scheduler(maui): 对用户提交的作业进行调度 2010 年 3 月 48/58 48/114

49 PBS 的使用步骤 1. 准备 : 编写描述改作业的脚本, 包括作业名, 需要的资源等 2. 提交 : 使用 qsub 命令将该作业提交给 PBS 服务器 3. 排队 : 服务器将该任务排入适当的队列 4. 调度 : 服务器检查各工作节点的状态是否符合该作业的要求, 并进行调度 5. 执行 : 当条件满足时, 作业被发给相应的执行服务器执行 程序运行时执行服务器会收集程序的标准输出和标准错误流, 等程序结束时, 将这些信息返回给用户 6. 查询和调整 : 当作业在运行时, 用户可以使用 qstat 进行状态查询 用户发现作业提交错误时, 可以使用 qdel 删 除正在运行的作业 7. 查看结果 : 使用文本编辑软件 vi 或者系统命令 cat, less 等 查看输出及错误信息显示 49/114

50 PBS 的基本命令 在 PBS 系统中, 用户使用 qsub 命令提交用户程序 用户运行程序的命令及 PBS 环境变量设置组成 PBS 作业脚本, 作业脚本使用如下格式提交到 PBS 系统运行 : [zhaocs@node1 ~]$ qsub <PBS 作业脚本 > 50/114

51 qsub 运行参数 运行参数说明 -a < 作业开始运行的时间 > 向 PBS 系统指定作业运行的开始时间 作业运行时间格式为 : [[[[CC]YY]MM]DD]hhmm[.SS] -A < 用户名 > 使用不同的用户来提交作业, 缺省使用当前用户名 -o < 标准输出文件的路径 > -e < 标准错误输出的路径 > -N < 作业名 > 指定提交的作业名 该参数指定标准错误输出的位置, 缺省的情况下,PBS 系统把标准输出和标准错误输出放在用户 qsub 命令提交作业的目录下 标准错误输出 :< 作业名 >.o< 作业号 > 标准错误输出 :< 作业名 >.e< 作业号 > 路径使用如下格式标准 : [< 节点名 >:]< 路径名 > -q < 目标队列 > 指定作业提交的目标队列, 其中目标队列可以是目标队列 目标节点名或者是目标节点上的队列 如果目标队列是一个路由队列, 那么服务器可能把作业路由到新的队列中 如果该参数没有指定, 命令 qsub 会把作业脚本提交到缺省的队列中 -l < 申请资源列表 > 该参数指定作业脚本申请的 PBS 系统资源列表 申请资源列表使用如下格式 : < 资源名 >[=[< 数量 >]][, 资源名 [=[< 数量 >]],..] 例如作业希望申请在双路节点上申请 4 个 CPU 资源的情况, 则可以在脚本中如下 : #PBS l nodes=2:ppn=2 51/114

52 qsub -l nodes=12 qsub -l nodes=1:ppn=4 qsub -l nodes=4:ppn=2 qsub -l nodes=2:server+14 qsub l: 申请资源 qsub -l nodes=server:ib+3:bigmem:ib qsub -l nodes=node01+node02+node03 qsub -l nodes=2:blue:ppn=2+red:ppn=3+b1014 qsub -l mem=200mb /home/script.sh qsub -l nodes=node01,mem=200mb /home/script.sh qsub -l other=matlab /home/user/script.sh $TORQUEHOME/server_priv/nodes node01 bigmem dualcore node02 np=4 bigmem matlab 52/114

53 利用队列分组管理资源 $TORQUE_HOME/server_priv/nodes: node01 np=16 chem node02 np=16 chem node03 np=8 rfpa node04 np=8 rfpa qmgr -c set queue chem resources_default.neednodes=chem qmgr -c set queue rfpa resources_default.neednodes=rfpa 53/114

54 PBS 的环境变量 变量名说明 登陆 SHELL 继承来的变量 $PBS_O_HOST $PBS_O_QUEUE $PBS_O_WORKDIR $PBS_JOBID $PBS_JOBNAME $PBS_NODEFILE $PBS_QUEUE 包括 $HOME,$LANG,$LOGNAME,$PATH,$MAIL, $SHELL 和 $TZ qsub 提交的节点名称 qsub 提交的作业的最初队列名称 qsub 提交的作业的绝对路径 作业被 PBS 系统指定的作业号 用户指定的作业名, 可以在作业提交的时候用 qsub N < 作业名 > 指定, 或者在 PBS 脚本中加入 #PBS N < 作业名 > PBS 系统指定的作业运行的节点名 该变量在并行机和机群中使用 当在 PBS 脚本中用 #PBS l nodes=2:ppn=2 指定程序运行的节点数时, 可以使用 $PBS_NODEFILE 在脚本中引用 PBS 系统指定的作业运行的节点名 比如 : #PBS l nodes=2:ppn=2 mpirun np 4 machinefile $PBS_NODEFILE < 程序名 > PBS 脚本在执行时的队列名 54/114

55 PBS 作业脚本 #PBS N vasp.hg #PBS l nodes=8:ppn=2 #PBS echo "This jobs is "$PBS_JOBID@$PBS_QUEUE cd $PBS_O_WORKDIR mpirun -np 16 -machinefile $PBS_NODEFILE./vasp 注释, 以 # 开头 PBS 指令, 以 #PBS 开头 SHELL 命令 55/114

56 PBS 作业脚本举例 # 这是一个串行作业脚本的例子 #PBS N Loop.out #PBS l nodes=1:ppn=1 cd /public/home/zhaocs/test/./a.out > $HOME/result/a.result # 这是一个并行作业脚本的例子 #PBS N vasp.hg #PBS l nodes=8:ppn=2 #PBS echo "This jobs is "$PBS_JOBID@$PBS_QUEUE cd $PBS_O_WORKDIR mpirun -np 16 -machinefile $PBS_NODEFILE./vasp 56/114

57 Gaussian-PBS 作业示例 #! /bin/sh #PBS -N g03job #PBS -l nodes=1:ppn=16 export GAUSS_SCRDIR=/tmp export g03root=/public/src/gaussian. $g03root/g03/bsd/g03.profile cd /public/home/weily/g03job for COM in `ls -D grep.gjf"` do JOBNAME=`basename $COM.gjf` STARTTIME=`date` STIME=`date +%s` /public/src/gaussian/g03/g03 < $COM > "$JOBNAME.log" echo >>"$JOBNAME.log" echo g03 job started: $STARTTIME >>"$JOBNAME.log" echo g03 job finished: `date` >>"$JOBNAME.log" let ETIME=`date +%s`-$stime echo Elapsed time: $ETIME >>"$JOBNAME.log" done 57/114

58 一个较复杂的 PBS 作业脚本 #!/bin/bash #PBS -N jobname #PBS -l nodes=4:ppn=2 cat `echo $PBS_NODEFILE` > $HOME/$PBS_JOBID.nodes for node in `cat $HOME/$PBS_JOBID.nodes` do rsh $node mkdir /tmp/$pbs_jobid rsh $node cp -rf $PBS_O_WORKDIR/* /tmp/$pbs_jobid/ done cd /tmp/$pbs_jobid mpirun -np 8 -machinefile $PBS_NODEFILE $HOME/bin/vasp cp -rf /tmp/$pbs_jobid/* $PBS_O_WORKDIR/ for node in `cat $HOME/$PBS_JOBID.nodes` do rsh $node rm -rf /tmp/$pbs_jobid done rm $HOME/$PBS_JOBID.nodes 58/114

59 查询作业运行的位置 ~]$ pbsnode -an ~]$ qstat r 查询作业命令 qstat [ 参数 ], 其中参数可为 : -q 列出系统队列信息 -Q: 列出队列的一些限制信息 -an: 列出队列中的所有作业 -r: 列出正在运行的作业 -f jobid: 列出指定作业的信息 -Qf queue: 列出指定队列的所有信息 -B: 列出 PBS 服务器的相关信息 59/114

60 查询和取消作业 ~]$ qstat Job id Name User Time Use S Queue node1 test.pbs zhaocs 0 R default 95.node1 vasp.hg vasp 0 E default 111.node1 structure amber 0 Q default [zhaocs@node1 ~]$ qdel 93.node1 作业删除命令 :qdel 作业号 注意事项 1 非 root 用户只能查看 删除自己提交的作业 2 在提交作业时一定要根据自己的使用的机器数估算内存, 把其写进作业提交脚本里 3 默认设置 root 用户无法提交作业 60/114

61 实例演示 提交作业 查询作业 (1) 61/114

62 实例演示 查询作业 (2) 查询作业 (3) 62/114

63 实例演示 删除作业 63/114

64 Contents 1. 物理化学领域理论计算概述 2. 高性能计算的并行体系 3. 高性能集群作业调度 4. Gaussian 应用示例 5. Materials Studio 应用示例 6. VASP 应用示例 64/114

65 G03 与 GaussView 1. G03 输入文件的结构 系统参数 ( 计算机软 硬件设置 ) 理论等级及基组 分子信息 ( 电荷, 多重度和原子坐标 ) 附加信息 2. GaussView 与 G03W 图形界面 构建分子模型 设置计算参数 分析计算结果 65/114

66 G03 输入文件的结构 66/114

67 示例 : 水分子的构型优化 67/114

68 软 硬件参数设置 %chk=aa.chk.chk 文件包含了所有计算结果, 是 GaussView 分析结果的主要文件 %rwf=aa,2000mb,bb,2000mb.rwf 文件是主要读写文件, 随体系增大, 32 位机上单个不能超过 2GB, 可以分割为 2000MB 文件, 总体不能超过 16GB %mem=600mb PC 机上,WinXP 系统总内存减去 400MB;Linux 系统减 200MB %nproc=2 指定并行计算使用的 cpu 数 68/114

69 任务类型 理论方法及基组 任务类型单点能计算 (sp), 几何优化 (opt), 频率 (freq), 反应过渡态 (irc) 理论方法 HF,MP2, B3LYP,CCSD(T),CASSCF 基组 STO-3g, 6-31G(d,p),6-31++G(d,p),LanL2dz, Aug-cc-pVTZ, 69/114

70 建立分子模型的步骤 1. 简化体系, 找出活性中心 : 配位中心, 反应中心 2. 划定最感兴趣的区域 : 主要配体及官能团 3. 根据化学知识进行剪切断键, 用类似原子或官能团补全 : 用氢原子代替甲基等 4. 对削减太多的模型, 至少建立两个层级的模型, 互相比较结果以确定能反映本质的最小模型 5. 利用最小模型进行详细研究, 解释实验结果和现象 : 结构稳定性, 最稳构型等 70/114

71 1. 单晶结构,cif 格式 分子结构的来源 2. 蛋白质数据库,pdb 格式 3. 其它理论模拟的结果如文献的 support information 4. 手动构建 ChemDraw(2D) -> Chem3D(mol) -> GaussView 71/114

72 分子的稳定构型 理论计算的第一步一般是先优化结构, 得到目标模型的最稳定结构 ( 理论上 )! 确定分子的稳定结构就是找到分子的极小能量点, 比较不同构形的能量差, 确定最稳定构形 结构决定性能! 对于较大的分子, 起始构型对最终的构型影响是很大的, 比如此分子存在两个可能的稳定构型, 对应于势能面上的两个极小点 极小点 最小点 72/114

73 基组选用的原则 初步寻找分子结构用小基组, 然后再用大基组进一步计算 一般必须包含极化基组, 这相当于中等基组 氢键 大 π 键或共轭相互作用, 应该包含弥散基组 为了提高速度, 可以对中心及其附近使用精度高的基组, 而外围用精度低的基组以降低计算量 73/114

74 计算过渡态注意事项 寻找过渡态需要的时间, 比寻找分子稳定结构要多很多 过渡态必须进行频率验证, 确保振动频率中有且仅有一个简正振动频率为虚数 一般过渡态都涉及到键的断裂与生成, 因此即使是自旋多重度为 1 的体系, 也应该用非限制性的理论方法来做 设想一个键的均裂反应, 原来成对的两个电子在反应过程中是要分别属于两个自由基的, 不会占据同一个空间轨道了 74/114

75 技巧及建议 计算机配置 : 每个 CPU 配 1GB 或 2GB 内存 大计算量最好在 Linux 系统下进行 Gaussian03 可以直接多 CPU 并行 ( 单节点 ), 但是必须采用 Linux 系统才能实现跨节点并行 大体系几何优化先用最小基组进行优化, 再用大基组进行 尽可能构造小的模型进行计算 75/114

76 GaussView 图形界面 76/114

77 任务类型 77/114

78 方法与基组 78/114

79 理论方法 79/114

80 选择基组 80/114

81 自旋多重态 81/114

82 系统参数设置 82/114

83 GaussView 查看结果 打开 G03 计算的输出文件 (.log 或.out) 83/114

84 计算结果概要 Summary 84/114

85 显示分子的三维数据 Surfaces 85/114

86 显示分子轨道 Surfaces 86/114

87 显示拟合的谱图 Vibrations 87/114

88 Gaussian 练习 : 乙烯分子的最优构象与垂直激发 88/114

89 几何优化做的工作就是寻找极小值, 而这个极小值, 就是分子的稳定的几何形态 对于所有的极小值和鞍点, 其能量的一阶导数, 也就是梯度, 都是零, 这样的点被称为稳定点 所有的成功的优化都在寻找稳定点, 尽管找到的并不一定就是所预期的点 几何优化由初始构型开始, 计算能量和梯度, 然后决定下一步的方向和步长, 其方向总是向能量下降最快的方向进行 大多数的优化也计算能量的二阶导数, 来修正力矩阵, 从而表明在该点的曲度 收敛标准 : 当一阶导数为零的时候优化结束, 但实际计算上, 当变化很小, 小于某个量的时候, 就可以认为得到优化结构 G03 默认的条件是 : 力的最大值必须小于 均方根小于 为下一步所做的取代计算为小于 其均方根小于 乙烯分子的最优构象 89/114

90 1. 乙烯分子的最优构象 菜单 :Calculate -> Gaussian Calculation Setup 设置计算任务类型为 optimization 90/114

91 1. 乙烯分子的最优构象 设置计算对象为基态, 使用自旋限制的 HF, 基组为 6-31G(d) 91/114

92 #! /bin/sh 提交计算 : #PBS -N g03job #PBS -l nodes=1:ppn=8 保存 Gaussian 计算脚本 ; export GAUSS_SCRDIR=/tmp export g03root=/public/software/qchem 上传文件 :. $g03root/g03/bsd/g03.profile cd $PBS_O_WORKDIR qsub 提交到作业调度系统 ; for COM in `ls -D grep.gjf"` do 检查计算过程是否正常 ; JOBNAME=`basename $COM.gjf` 下载计算结果 ; STARTTIME=`date` STIME=`date +%s` 1. 乙烯分子的最优构象 /public/software/qchem/g03/g03 < $COM > "$JOBNAME.log" echo >>"$JOBNAME.log" echo g03 job started: $STARTTIME >>"$JOBNAME.log" echo g03 job finished: `date` >>"$JOBNAME.log" let ETIME=`date +%s`-$stime echo Elapsed time: $ETIME >>"$JOBNAME.log" done 92/114

93 1. 乙烯分子的最优构象 93/114

94 1. 乙烯分子的最优构象 94/114

95 1. 乙烯分子的最优构象 95/114

96 1. 乙烯分子的最优构象 打开 log 文件, 显示原子电荷, 菜单 :Results -> Charge Distribution 96/114

97 1. 乙烯分子的最优构象 找到 chk 文件, 并用 GV 打开, 查看轨道形状 ; 菜单 :Results -> Surfaces and Contours 97/114

98 显示 HOMO 轨道 1. 乙烯分子的最优构象 98/114

99 显示 LUMO 轨道 1. 乙烯分子的最优构象 99/114

100 2. 乙烯分子的垂直激发 设置计算类型为 Energy ( 单点能 ) 100/114

101 2. 乙烯分子的垂直激发 设置计算方法为 CIS, 基组添加弥散函数, 考虑单重态和三重态 101/114

102 #! /bin/sh 提交计算 : #PBS -N g03job #PBS -l nodes=1:ppn=8 保存 Gaussian 计算脚本 ; export GAUSS_SCRDIR=/tmp export g03root=/public/software/qchem 上传文件 :. $g03root/g03/bsd/g03.profile cd $PBS_O_WORKDIR qsub 提交到作业调度系统 ; for COM in `ls -D grep.gjf"` do 检查计算过程是否正常 ; JOBNAME=`basename $COM.gjf` 下载计算结果 ; STARTTIME=`date` STIME=`date +%s` /public/software/qchem/g03/g03 < $COM > "$JOBNAME.log" echo >>"$JOBNAME.log" echo g03 job started: $STARTTIME >>"$JOBNAME.log" echo g03 job finished: `date` >>"$JOBNAME.log" let ETIME=`date +%s`-$stime echo Elapsed time: $ETIME >>"$JOBNAME.log" done 2. 乙烯分子的垂直激发 102/114

103 2. 乙烯分子的垂直激发 103/114

104 2. 乙烯分子的垂直激发 计算结果跃迁 对称性 3B1u 3B3u 1B3u 1B1u 能量 实验值 /114

105 2. 乙烯分子的垂直激发 GV 打开 log 文件, 显示拟合的 UV-VIZ 谱图, 菜单 :Results -> UV-VIZ 105/114

106 Contents 1. 物理化学领域理论计算概述 2. 高性能计算的并行体系 3. 高性能集群作业调度 4. Gaussian 应用示例 5. Materials Studio 应用示例 6. VASP 应用示例 106/114

107 设置 Materials Studio 环境变量 cat /public/software/qchem/dmol3/ms-env.sh #!/bin/sh # Parallel Environment Setting for Materials Studio 4.4 export MS_INSTALL_ROOT=/public/software/qchem export MS_LP_PATH =$MS_INSTALL_ROOT/dmol3/LicensePack export LD_LIBRARY_PATH=$MS_LP_PATH/lib:$LD_LIBRARY_PATH export DMOL_TMP=/tmp export TMPDIR=$DMOL_TMP export DMOL3_DATA=$MS_INSTALL_ROOT/dmol3/data export PSPOT_DIR=$MS_INSTALL_ROOT/castep/Potentials source $MS_INSTALL_ROOT/dmol3/LicensePack/etc/lp_profile source /public/software/mpi/hpmpi/hp_mpi-env.sh 107/114

108 提交 Dmol3 任务 Dmol3 输入输出文件 h2o.input : 计算方法与基组 h2o.car : 分子三维结构 h2o.outmol : 输出结果 #! /bin/sh #PBS -N dmol3-job #PBS -l nodes=1:ppn=8 cd $PBS_O_WORKDIR source /public/software/qchem/dmol3/ms-env.sh mpirun -np 8 -prot -ibv -cpu_bind=v \ /public/software/qchem/dmol3/dmol3_mpi.exe h2o 108/114

109 Castep 输入输出文件 提交 Castep 任务 Pb.param Pb.cell Pb.castep : 计算类型 方法 : 晶体结构 K 点 赝势 : 输出结果 #! /bin/sh #PBS -N castep-job #PBS -l nodes=1:ppn=8 cd $PBS_O_WORKDIR source /public/software/qchem/dmol3/ms-env.sh mpirun -np 8 -prot -ibv -cpu_bind=v \ /public/software/qchem/castep/castepexe_mpi.exe Pb 109/114

110 Contents 1. 物理化学领域理论计算概述 2. 高性能计算的并行体系 3. 高性能集群作业调度 4. Gaussian 应用示例 5. Materials Studio 应用示例 6. VASP 应用示例 110/114

111 提交 VASP 任务 VASP 输入输出文件 INCAR KPOINTS POSCAR POTCAR OUTCAR DOSCAR CHGCAR WAVECAR #! /bin/sh #PBS -N vasp-job #PBS -l nodes=1:ppn=8 #PBS -j oe cd $PBS_O_WORKDIR NP=`cat $PBS_NODEFILE wc -l` source /public/software/mpi/openmpi1.4-pgi.sh mpirun -np 8 -np $NP -machinefile $PBS_NODEFILE \ --mca btl self,openib /public/software/qchem/vasp/vasp-openmpi-pgf90 111/114

112 Contents 1. 物理化学领域理论计算概述 2. 高性能计算的并行体系 3. 高性能集群作业调度 4. Gaussian 应用示例 5. Materials Studio 应用示例 6. VASP 应用示例 112/114

113 谢谢! 113/114

114 114/114

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