VASP是备受专业技术人员认可的DFT计算软件，每年发表论文超过1万篇，至2022年底，文章总量已超过11万篇。其计算结果不仅可以验证实验，更能够预测实验结果，指导实验路线。
本文为华算科技朱老师技术团队的Cilver老师和Ravi老师制作的《VASP官方入门手册》第三章：2.预编译器标志概述，并行版本和仅Gamma点版本。本教程将详细介绍VASP软件及其计算方法，帮助大家快速入门VASP计算，搞定顶刊技能！
3.5 预编译器标志概述，并行版本和仅Gamma点版本
为了支持不同的机器和不同的VASP版本，VASP 在很大程度上依赖于 C 预编译器 (cpp)。cpp 用于从 *.F 文件创建 *.f 文件。可以传递多个标志给cpp以生成不同版本的*.f文件：目前支持以下标志：
| single_BLAS |
single precision BLAS/LAPACK calls |
| vector |
compile vector version |
| essl |
use ESSL call sequence for DSYGV |
| NGXhalf |
charge density reduced in X direction |
| NGZhalf |
charge density reduced in Z direction |
| wNGXhalf |
gamma point only reduced in X direction |
| wNGZhalf |
gamma point only reduced in Z direction |
| NOZTRMM |
do not use ZTRMM |
| REAL_to_DBLE:
仅VASP.4 版本： | change REAL(X) to DBLE(X) |
| debug | gives more information during run |
| noSTOPCAR | do not re-read STOPCAR file |
| F90_T3D | compile for T3D |
| scaLAPACK | use scaLAPACK (parallel version only) |
| T3D_SMA | use shmem communication on T3D instead of MPI |
| MY_TINY | required accuracy in symmetry package |
| USE_ERF | use intrinsic error function of cray mathlib |
| CACHE_SIZE | cache size used to optimise FFT’s |
| MPI | compile parallel version |
| MPI_CHAIN | serial version with nudged chain support (not supported) |
| pro_loop | uses DO loops instead of DGEMV |
| use_collective | use collective MPI calls (VASP.4.5) |
| MPI_BLOCK | block the MPI calls (VASP.4.5) |
| WAVECAR_double | use double precision WAVECAR files (VASP.4.5) |
这些标志通常在 makefile 的 cpp 行中使用：大部分这些标志在与平台相关的makefile中已经正确设置了，因此大多数用户无需修改。但要生成并行版本，则需要修改 makefile。多数 makefile 都有以如下开头的部分：#———————————————————————-#MPI VERSION#———————————————————————–如果从以下行中移除注释符号’＃’，就会生成 vasp 的并行版本。请注意，如果要编译并行版本，要么从头开始（从 tar 文件中解压 VASP），要么键入：最后，有两个标志对所有用户都很重要。如果在 makefile 中设置了 wNGXhalf，编译出的 VASP 版本只能在Γ点 有效。该版本比标准版本快 30-50%。要编译只在Γ点运行的并行版本，必须设置 wNGZhalf 而不是 wNGXhalf 标志。必须再次强调的是，如果在 makefile 中设置了这些标志之一，则必须重新编译所有 Fortran 文件。这可以通过解压缩 tar 文件或键入：3.5.1 单精度 BLAS（single_BLAS）如果代码是为单精度机器编译的，则需要此标志。在这种情况下，将使用单精度版本的 BLAS/LAPACK 调用。仅在 CRAY 矢量计算机上使用此标记。如果使用矢量机，则应设置此标志。在这种情况下，将避免某些无法向量化的结构，从而使代码在矢量机上的运行速度更快。只有在链接 LAPACK 之前链接 ESSL 时才使用此标志。ESSL 使用与 LAPACK 不同的 DSYGV 调用序列。(目前 RS 6000 的 makefile 是先链接 LAPACK 后链接 ESSL，因此不需要此标志）。如果 LAPACK 没有得到很好的优化，则应避免调用 ZTRMM，而代之以 ZGEMM。这可以通过在 makefile 中设置 NOZTRMM 来实现。3.5.5 将 REAL 改为 DBLE（REAL_to_DBLE，仅限 VASP.3.X）标记会将所有 REAL(X) 调用改为 DBLE(X) 调用，仅在 SGI 机器上需要使用。在 SGI 机器上，如果使用自动加倍编译器标志 (-r8)，REAL 调用不会自动增强为 DBLE 调用。在 VASP.4 中不再需要该标志。对于电荷密度和电势，使用其中一个标志可以节省一半的存储空间，因为：要使用实数到复数的快速傅里叶变换（FFT），必须在串行版本中指定 -DNGXhalf，在并行版本中指定 -DNGZhalf。如果在串行版本指定了 -DNGXhalf 标志，则实数到复数的 FFT 将通过复数到复数的 FFT 来 “模拟”。注意：如果在 makefile 中更改了该标记，则需要重新编译所有 *.F 文件。可以通过键入以下内容完成操作：在 Γ 点，如果使用其中一个标志，可以节省一半的波函数存储空间，因为要使用从实数到复数的 FFT，串行版本必须指定 -DwNGXhalf，并行版本必须指定 -DwNGZhalf。如果为串行版本指定了 -DwNGXhalf，实数到复数的 FFT 将通过复数到复数的 FFT 来 “模拟”。注意：如果在 makefile 中更改了该标志，则需要重新编译所有 *.F 文件。编译方法如下最好将只编译 Γ点的版本放在一个单独的目录下（例如 vasp_gamma）。将所有文件从 vasp 复制到 vasp_gamma，将 makefile.machine 复制到 makefile，然后编辑 makefile。在 cpp 行添加 wNGXhalf（或 wNGZhalf）标志。CPP = … cpp … -DNGXhalf -DwNGXhalf …定义 debug 可在运行过程中提供更多信息。附加信息会写入 stderr，可能有助于找出程序崩溃的原因。请注意，使用调试通常能更快地发现错误，但在某些并行计算机上，调试并不完全受支持。指定此标志可避免每次电子步迭代时都读取 STOPCAR 文件。在 IO 子系统速度较慢的高速机器上（如 T3D、T3E 或富士通 VPP），这一步骤的资源耗费太高。注意，仍支持 LSTOP = .TRUE.（即可以在电子步最小化后中断）。针对 T3D 进行编译，这只会产生微小的影响，例如某些编译器指令，如将需要使用第一个指令在Cray矢量机上正确向量化，但在T3D上则会产生警告。此外，在 T3D 上每次迭代都不会读取 STOPCAR 文件（见上一小节），因为在 T3D 上重新读取 STOPCAR 文件的代价太高（0.5-1 秒）。如果在 T3D 上使用 scaLAPACK 标志，还必须指定 F90_T3D 标志，因为 T3D 要求某些数组以特殊方式分配（shmem-allocation）。在 VASP 中，对称性由 POSCAR 文件决定。在VASP.4.4中，位置的正确指定精度可以通过编译时使用变量MY_TINY进行定制化。默认情况下，MY_TINY 为 10-6，这意味着位置必须精确到约 7 位数以内。如果输入的位置精度不符合要求，VASP 将无法确定基组的对称性群。如果在 makefile 中设置了-Davoidalloc，某些对性能敏感的区域避免使用ALLOCATE和DEALLOCATE序列。特别是在 LINUX 系统下，ALLOCATE 和 DEALLOCATE 的速度很慢，因此避免使用它可以使某些例程的性能提高大约 10%。如果在 makefile 中设置了 -Dpro_loop，一些 DGEMV 和 DGEMM 调用将被 DO 循环所取代。这会提高SGI上非局部投影函数的性能。其他机器则无法受益。如果在 makefile 中设置了 -DWAVECAR_double，WAVECAR 文件将以双精度写入，与 VASP.4.4 完全兼容。VASP.4.5 的默认设置是单精度。如果设置此标志，则生成并行版本。需要重新编译所有文件（touch *.F）。并行化需要在机器上安装 MPI，并且必须在 makefile 中指定库的路径。有一个小的 “技术 “问题：MPI 需要一个包含文件 mpif.h，而该文件有时不符合 F90 自由格式（CRAY 是一个例外）。因此，必须将包含文件 mpif.h 复制到 VASP.4 目录，并转换为 F90 格式，命名为 mpif.h。使用以下代码完成操作：> cp …mpi…/include/mpif.h mpif.h转换实用程序可将 F77 fortran 文件转换为 F90 自由格式文件，该程序位于 VASP.4 目录中。(在大多数 Cray T3E 上，这不是必需的，mpif.h 可以在默认包含路径中找到）。使用此标记可编译出支持NEB（微动弹性带）方法的版本。mpif.h 文件必须以上述相同方式创建。大多数文件的编译方式与串行版本相同（例如不需要并行 FFT 支持）。在这种情况下，每帧图像必须且只能在一个节点上运行，标签 IMAGES 必须设置为节点数：该版本与串行版本一样快（因此通常比完整的 MPI 版本更快），可以在工作站集群上非常高效地运行。VASP.4.4 和 VASP.4.5 目前不支持此标记。在 VASP.4.5 中，VASP 的 MPI 版本避免了集合通信，因为在开源的 MPI 包（如 LAM 或 MPICH）中，集合通信的实现非常不理想。另一方面，在 SGI Origins 和 T3E 上，集合 MPI 例程得到了高度优化。因此，在这些平台上应该指定”use_collective”，并在集合MPI例程针对特定架构进行了优化的情况下使用。目前，VASP 会将使用大数据块的 MPI 发送（MPI_isend）和 MPI 接收（MPI_irecv）调用拆分成较小的数据块。我们发现，在使用100 Mbit和/或Gbit以太网连接的LINUX集群上，较大的数据块会导致带宽显著降低（所有内核，包括2.6.X Linux内核的所有mpi版本，lam.7.1.1）。MPI_BLOCK 决定块的大小。如果使用use_collective，MPI_BLOCK 仅用于快速全局求和例程（在 mpi.F 中查找 M_sumf_d）。尽管 VASP.4 最初针对 T3D（和 T3E）进行了优化，但目前对 shmem 通信的支持还很低级，甚至可能无法运行。要使用高效的 T3D（T3E）mem 通信方案，请在 makefile 中指定 T3D_SMA。这可能会将通信加速最多两倍。但请注意，如果在数据流中使用 VASP，这也会在 T3E 上造成问题：export SCACHE_D_STREAMS=1因此，默认的T3E makefile不使用优化的通信例程，因为数据流带来的性能提升通常比优化通信更重要(因此，可以在T3E上打开数据流，例如键入. export SCACHE_D_STREAMS=1).如果指定，VASP 将使用 scaLAPACK 代替 LAPACK 对子空间矩阵（Nbands ×Nbands）进行 LU 分解（时序 ORTHCH）和对角化（时序 SUBROT）。该操作在串行版本中速度非常快（2%），但在大规模并行机上却拖慢了多电子体系的计算。如果 scaLAPACK 安装在大型并行计算机（T3E、SGI、IBM SPX）上，请使用此开关。在T3E上，可以从编程环境3.0.1.0开始使用scaLAPACK。（例如，3.0.0.0版本不提供所需的例程）。在T3D上（但不适用于T3E），必须指定附加开关-DT3D_SCA至少对于我们测试过的scaLAPACK版本来说（T3D scaLAPACK与标准scaLAPACK例程不兼容）。在速度较慢的网络和 PC 集群（100 Mbit 以太网甚至 1 Gbit 以太网）上，不建议使用 scaLAPACK。性能提升很小， scaLAPACK 甚至比 LAPACK 更慢。如果您仍然想尝试，请从 www.netlib.org/SCALAPACK 下载所需的源文件。编译相当简单，但需要熟悉 MPI、Fortran、C 和 UNIX makefile（始终确保底层 BLACS 例程工作正常！）。可以在运行时关闭ScaLAPACK。遇到ScaLAPACK问题时，请使用此功能作为备选方案。此外，在某些情况下，基于ScaLAPACK的LU分解（时序ORTCH）比串行LU分解更慢。因此，也可以通过在INCAR文件中指定LSCALU = .FALSE.来关闭并行LU分解（在这种情况下，子空间旋转仍然使用ScaLAPACK）。我们在 CRAY J90 上使用 VASP.4.X 的 MPI 版本时遇到了几个问题。首先，MPI_double_precision（MPI_double_complex）必须改为 MPI_real（MPI_complex）。其次，INCAR 文件的读取必须序列化（即一次只能有一个节点进行读取）。在 makefile 中定义 CRAY_MPP 可以解决这些问题。但我们还不确定是否所有 CRAY_MPP 机器都需要这个标志。如果能提供相关信息，我们将不胜感激。编译VASP.4.X并不总是简单的，因为f90编译器通常不是非常可靠。请注意，在编译并行版本时，必须以 f90 样式提供包含文件 mpif.h（参见第 3.5.15 节）。以下是编译器和平台以及我们检测到的问题类型列表，在某些情况下，可以在相关的 makefile 中找到更多信息：没有问题，但编译（尤其是 main.F）需要很长时间。如果有时间限制，f90编译器在编译过程中可能会被终止。在这种情况下，损坏的 .o 文件会保留下来，该文件必须手工删除。如果最后编译的文件是 nonl.F，用户必须注销，再次登录并输入 rm nonl.o从 3.2.5.0 开始的所有编译器版本都能正常工作（包括 xlf90 4.X.X）。编译器版本 3.2.0.0 无法正确编译并行版本，但串行版本应该没问题。一位用户报告说，如果使用选项 -qddim，3.2.3.0 版本可以正确编译并行版本。在某些系统中，mpif.h 文件位于默认的包含搜索路径中。将 mpif.h 文件复制到本地目录并转换为 f90 样式不起作用（因为系统范围内的 mpif.h 文件总是包含在内）。解决办法之一是将 mpif.h 文件重命名为 mpif90.h。如果使用新的mpi例程（parallel_new.tar）(使用 lslpp -L – grep xlf 查找当前编译器版本）在某些 SGI 上，必须将 VASP.4.X 和 VASP.lib 的 makefile 中的 -64 选项改为 -n32（例如 O2）。Fortran 90、7.2 在 irix 6.2 上运行正常。旧版本在编译 main.F 时往往会崩溃，特别是编译器版本为 Fortran 90、6.3 和 7.1 的程序无法运行。(使用版本 – grep f90 查找当前编译器版本）编译器版本 DIGITAL Fortran 90 V5.0-492 和 V5.2 可以正确编译 VASP.4.X。较旧的编译器版本和 V5.1 版本不能编译 VASP，需要修复或升级编译器。没有问题，但编译（尤其是 main.F）需要很长时间。如果有时间限制，f90 编译器可能会在编译过程中被终止。在这种情况下，损坏的 .o 文件会保留下来，该文件必须手动删除。如果最后编译的文件是 nonl.F，用户必须注销，再次登录并输入 rm nonl.o然后再次输入 make。在开始编译前，不要忘记上传所有需要的模块。通常在配置文件中完成，在英国 T3D 上，必须初始化以下模块：if [ -f /opt/modules/modules/init/ksh ] ; then. /opt/modules/modules/init/ksh module load modules PrgEnvVASP 仅支持 T3D 上最新的 “alpha “scaLAPACK 版本（T3E 上必须安装 PrgEnv 3.0.1.0），而且，VASP无法正常使用libsci.a库中提供的scaLAPACK版本（libsci.a只包含一个降级版本的scaLAPACK，支持的功能非常有限）如果无法获得该 alpha 版本，则必须关闭 scaLAPACK（参见第 3.5.20 节）。编译器版本 3.0.1.0（及更高版本）应能正确地编译代码。可能需要对 makefile 稍作修改：在 IDRIS-T3E 上，cpp（C 预处理器）位于 /usr/lib/make/ 目录下，在其他 T3E 机器上可能需要更改该位置（makefile 中的 CPP 行）。为了获得最佳性能，在运行代码之前，还应该允许T3E上的硬件数据流动，可以通过设置export SCACHE_D_STREAMS=1来实现。性能提升可达 30%。但我们必须指出，如果在 makefile 中指定开关 T3D_SMA，代码就会时不时崩溃。因此，在默认的 makefile 中，目前没有指定 T3D_SMA（并且没有使用经过优化的 T3D/T3E 通信例程）。如果通信性能非常重要，可以在 makefile 中指定 T3D_SMA，但可能需要通过键入以下内容确定打开数据流：export SCACHE_D_STREAMS=0据报道，NAG 编译器 NAGWare f90 2.2(260) 版可以编译代码。由于我们无法访问该版本，所以在 LINUX 下使用 NAG 编译器遇到问题，我们无能为力。在尝试编译之前，请检查 makefile。目前，我们支持 Portland Group F90/HPF (PGI)。对 Absoft f90 编译器的测试表明，PGI 编译器生成的代码速度要快 10-30%。PGI f90 编译器的 makefile 扩展名为 linux pg。目前已对 1.7 版和 3.0.1 版进行了测试，两个版本生成的代码速度相同。详情请查看 makefile。“实验+计算”的模式已成为顶刊标配！还在苦于看不懂论文的计算部分？不会分析相关结果？不会回复审稿意见？错失顶刊？
朱老师带你零基础轻松入门DFT计算，提升论文档次，发顶刊快人一步！
学员已发表Nature、Nature Energy、Nature Materials、Angew..、JACS、AM、AEM等期刊。
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