CASTEP的Linux 安裝

CASTEP (http://www.castep.org/)是一款電子結構軟體，可以計算Kohn-Sham框架下的平面波DFT，能夠完成VASP能夠完成的大部分計算。相比於VASP有幾個優勢：

能夠完成基本所有VASP能實現的功能和一些VASP不能實現的功能，比如path-integral MD

較高的並行效率，支持G-vector parallelism、k-points parallelism和band parallelism

On-the-fly自動生成和泛函配套的贗勢，所以大部分時候只要給元素和泛函就可以，省事

學術免費，這對於新成立的課題組極度友好，代碼可以通過填表獲取http://www.castep.org/CASTEP/GettingCASTEP

劣勢主要是國內的文檔，特別是中文文檔嚴重不足。本文記錄一下CASTEP並行版的安裝過程(CASTEP 19.1 linux學術版本安裝教程)。

本文的linux版本、編譯環境版本如下：

Linux發行版本:Ubuntu20.04

CASTEP版本: 19.11

編譯器:gfortran9.3.0

並行庫:openmpi

安裝前建議閱讀安裝指南，見代碼主目錄下的README.INSTALL

1. 安裝gfortran,g++等編譯器

打開terminal，輸入

sudo apt install gfortransudo apt install g++sudo apt install gccsudo apt install build-essentialsudo apt install python
看一下gfortran的版本
gfortran是9.3.0的，別的版本應該也可以。
2. 安裝intel-mkl數學庫
Intel-mkl的官方網址：
https://software.intel.com/content/www/us/en/develop/articles/installing-intel-free-libs-and-python-apt-repo.html
打開terminal，輸入：
sudo bashcd /tmpwget https://apt.repos.intel.com/intel-gpg-keys/GPG-PUB-KEY-INTEL-SW-PRODUCTS-2019.PUBapt-key add GPG-PUB-KEY-INTEL-SW-PRODUCTS-2019.PUBrm GPG-PUB-KEY-INTEL-SW-PRODUCTS-2019.PUBexitsudo wget https://apt.repos.intel.com/setup/intelproducts.list -O /etc/apt/sources.list.d/intelproducts.listsudo apt install intel-mkl
如果出現以下內容，按esc鍵就會繼續裝了…
3. 安裝openmpi並行庫
Openmpi的官方網址：https://www.open-mpi.org/software/ompi/v4.0/
tar -xzvf openmpi-4.0.4.tar.gzcd openmpi-4.0.4./configure --prefix=$HOME/openmpimake allmake install
打開.bashrc添加環境變量
在最後面加上，並保存
export PATH=$PATH:$HOME/openmpi/binexport LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:$HOME/openmpi/lib
source一下~/.bashrc
看一下mpirun有沒有裝上

4. 安裝CASTEP
tar -xzvf CASTEP-19.11.tar.gzcd CASTEP-19.11
CASTEP會自動探測默認的編譯環境，輸入
得到
和之前安裝的gfortran9 對得上
設置一下mkl的環境變量
export INCLUDE=/usr/include/mkl/
開始安裝castep
make MATHLIBS=mkl10 FFT=mkl COMMS_ARCH=mpi SUBARCH=mpi
分別輸入mkl的blas和mkl的fftw庫位置
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/mkl/usr/include/mkl/fftwmake MATHLIBS=mkl10 FFT=mkl COMMS_ARCH=mpi SUBARCH=mpi installmake MATHLIBS=mkl10 FFT=mkl COMMS_ARCH=mpi SUBARCH=mpi install install-tools
這裡最終得到了一個在bin下面的文件加，叫做bin/linux_x86_64_gfortran9.0--mpi，裡面有castep的可執行文件castep.mpi
把CASTEP和常用工具二進位可執行文件添加到環境變量
添加以下到最後並保存
export PATH=/home/ziheng/Desktop/CASTEP-19.11/bin/linux_x86_64_gfortran9.0--mpi:$PATH
source一下
安裝完成。
5. 安裝驗證
CASTEP準備了一套自帶的安裝檢測，輸入以下執行：
make MATHLIBS=mkl10 FFT=mkl COMMS_ARCH=mpi SUBARCH=mpi check
執行後會顯示如下：
沒有問題。
另外這裡也準備了一個很簡單的例子，大致展示一下castep的使用方法。

不同於VASP，CASTEP運行需要兩個文件：
這裡我們拿Li3PO4晶體做一個簡單的結構優化，首先我們來生成.cell文件，首先下載一個.cif文件保存成LPO.cif，具體文件內容見附錄1。
用自帶的cif2cell工具將cif文件轉換為castep的.cell結構文件，輸入
cif2cell LPO.cif -p CASTEP
得到Li3PO4.cell文件，這裡稍微修改一下，讓它自動識別空間群，並讓它使用on-the-fly生成的norm-conserving贗勢，具體見附件2。
繼續建立Li3PO4 .param文件進行計算參數設置設置，這裡用LBFGS方法進行一個結構優化，具體見附件3。
準備好運行Li3PO4 .param和Li3PO4.cell後開始執行castep計算，用4線程計算，輸入：
mpirun -np 4 castep.mpi Li3PO4
這裡注意castep不會屏幕輸出，而是輸出在.castep文件裡，可以隨時打開查看。
計算結束後得到以下幾個文件：
其中.castep文件給出了scf收斂過程的等信息，類似於VASP的屏幕輸出和vasprun.xml文件，而-out.cell文件給出的是最終的結構，用VESTA打開可以進行可視化。
關於CASTEP的使用，大部分時候可以用程序內置的文檔，輸入castep.mpi –help即可，以後有緣再說。希望這樣的優秀的學術免費軟體在國內能夠有更大用戶群！
6. 附錄：
附件一、LPO.cif的內容
data_Li3PO4_symmetry_space_group_name_H-M   'P 1'_cell_length_a   4.92244800_cell_length_b   5.29640200_cell_length_c   6.17613600_cell_angle_alpha   90.00000000_cell_angle_beta   90.00000000_cell_angle_gamma   90.00000000_symmetry_Int_Tables_number   1_chemical_formula_structural   Li3PO4_chemical_formula_sum   'Li6 P2 O8'_cell_volume   161.01966865_cell_formula_units_Z   2loop_ _symmetry_equiv_pos_site_id _symmetry_equiv_pos_as_xyz  1  'x, y, z'loop_ _atom_site_type_symbol _atom_site_label _atom_site_symmetry_multiplicity _atom_site_fract_x _atom_site_fract_y _atom_site_fract_z _atom_site_occupancy  Li  Li0  1  0.50941700  0.84452000  0.00000000  1  Li  Li1  1  0.00941700  0.15548000  0.50000000  1  Li  Li2  1  0.50836300  0.32643400  0.25287300  1  Li  Li3  1  0.00836300  0.67356600  0.24712700  1  Li  Li4  1  0.00836300  0.67356600  0.75287300  1  Li  Li5  1  0.50836300  0.32643400  0.74712700  1  P  P6  1  0.50142000  0.82426100  0.50000000  1  P  P7  1  0.00142000  0.17573900  0.00000000  1  O  O8  1  0.10701000  0.31350900  0.79286200  1  O  O9  1  0.60212600  0.10350800  0.50000000  1  O  O10  1  0.18519100  0.81839600  0.50000000  1  O  O11  1  0.68519100  0.18160400  0.00000000  1  O  O12  1  0.60701000  0.68649100  0.29286200  1  O  O13  1  0.10701000  0.31350900  0.20713800  1  O  O14  1  0.10212600  0.89649200  0.00000000  1  O  O15  1  0.60701000  0.68649100  0.70713800  1
附件2、Li3PO4.cell
%BLOCK LATTICE_CARTang    # angstrom units   4.922448000000000   0.000000000000000   0.000000000000000   0.000000000000000   5.296402000000000   0.000000000000000   0.000000000000000   0.000000000000000   6.176136000000000%ENDBLOCK LATTICE_CART
%BLOCK POSITIONS_FRACP    0.501420000000000   0.824261000000000   0.500000000000000 P    0.001420000000000   0.175739000000000   0.000000000000000 O    0.107010000000000   0.313509000000000   0.792862000000000 O    0.602126000000000   0.103508000000000   0.500000000000000 O    0.185191000000000   0.818396000000000   0.500000000000000 O    0.685191000000000   0.181604000000000   0.000000000000000 O    0.607010000000000   0.686491000000000   0.292862000000000 O    0.107010000000000   0.313509000000000   0.207138000000000 O    0.102126000000000   0.896492000000000   0.000000000000000 O    0.607010000000000   0.686491000000000   0.707138000000000 Li   0.509417000000000   0.844520000000000   0.000000000000000 Li   0.009417000000000   0.155480000000000   0.500000000000000 Li   0.508363000000000   0.326434000000000   0.252873000000000 Li   0.008363000000000   0.673566000000000   0.247127000000000 Li   0.008363000000000   0.673566000000000   0.752873000000000 Li   0.508363000000000   0.326434000000000   0.747127000000000 %ENDBLOCK POSITIONS_FRAC
%BLOCK SPECIES_POTNCP%ENDBLOCK SPECIES_POT
SNAP_TO_SYMMETRYSYMMETRY_GENERATE
%BLOCK EXTERNAL_PRESSURE0 0 0 0 00%ENDBLOCK EXTERNAL_PRESSURE
附件三、Li3PO4.param文件
task                 : geometryoptimizationxc_functional        : PBE spin_polarized       : false fix_occupancy        : false metals_method        : dm mixing_scheme        : pulay max_scf_cycles       : 1000 cut_off_energy       : 700 eVopt_strategy         : speed page_wvfns           : 0 num_dump_cycles      : 0 backup_interval      : 0 geom_method          : LBFGS geom_max_iter        : 500mix_history_length   : 20 finite_basis_corr    : 0fixed_npw            : truewrite_cell_structure : truewrite_checkpoint     : nonewrite_bib            : falsewrite_otfg           : falsewrite_cst_esp        : falsewrite_bands          : falsewrite_geom           : falsebs_write_eigenvalues : falsecalculate_stress     : true