Quantum Espresso的安装

一、编译安装

Quantum Espresso 可以通过命令一键安装：sudo apt install quantum-espresso

这里提供源文件的安装方法，文件结构会更清晰一些。使用的是 gfotran 编译，本篇的编译安装的部分参考这个链接：https://www.youtube.com/channel/UCgQPek4ZSo_yL7wEjIhxvfA/playlists。

具体步骤：

1. 下载 .tar.gz 源文件：http://www.quantum-espresso.org/，解压压缩包：tar -zxvf qe-7.3.1-ReleasePack.tar.gz

2. 安装基础环境：

• 安装 gfortran：sudo apt install gfortran
• 安装 git：sudo apt install git
• 安装 make：sudo apt install make
• 有可能还需要安装一些其他的环境（如果编译过程有报错，可以试着安装解决）：apt install cmake libopenmpi-dev libfftw3-dev libblas-dev liblapack-dev libhdf5-dev

3. 编译：

（1）仅串行编译（可以直接使用后面的 MPICH 并行编译）：

• 配置：./configure，提示配置成功
  编译所有：make all （仅编译pw：make pw）
• 进入文件夹：cd test-suite/
  串行测试：make run-tests-pw-serial（中途可Ctrl+C中断）

（2）使用 MPICH 并行编译：

• 提前安装好MPICH：sudo apt install mpich
  测试：mpif90 -v
  之前如果有串行编译过，则需要清除编译文件，仅保留源文件，命令为：make clean
• 配置：./configure 或 ./configure -enable-parallel ，提示配置成功
  编译所有：make all （仅编译pw：make pw）
• 进入文件夹：cd test-suite/
  串行测试：make run-tests-pw-serial（中途可 Ctrl+C 中断）
  并行测试：make run-tests-pw-parallel（中途可 Ctrl+C 中断）
• 串行运行：/opt/qe-7.3.1/bin/pw.x < test.in > test.out
  并行运行：mpirun -np 4 /opt/qe-7.3.1/bin/pw.x < test.in > test.out

特别说明：make 编译的时间可能会有点长，可能会超过一个小时，需要耐心等待。可以通过命令放置于后台运行：nohup make all & 。使用 ps -ef|grep make\ all 命令查看是否编译完成，或者查看 nohup.out 文件来判断。

补充说明：如果安装了 gfortran，但 mpif90 -v 和 ./configure 时仍然找不到 gfortran，这可能是由于安装了 anaconda 的原因，conda 环境中的 gfortran 抢占了 sudo apt 安装的 gfortran，但版本好像不对，导致报错。目前个人的解决方案是：将 ~/.bashrc 中的 conda 环境变量注释后（类似于卸载anaconda），再继续安装 Quantum Espresso。安装完后再把 conda 的环境变量恢复。

添加环境变量：（1）方法一（推荐）：编辑 .bashrc 文件，添加内容：export PATH=/opt/qe-7.3.1/bin:$PATH ，保存后输入命令更新：source .bashrc 。（2）方法二：编辑 /etc/environment 文件，在最后的引号前添加对应的路径，系统重启。

4. 运行命令示例：

• 串行运行：/opt/qe-7.3.1/bin/pw.x < si.scf.in > si.scf.out
• 并行运行：mpirun -np 4 /opt/qe-7.3.1/bin/pw.x < si.scf.in > si.scf.out

使用脚本 a.sh 提交任务并行运行：

#!/bin/sh
#PBS -N task
#PBS -l nodes=1:ppn=4
export OMP_NUM_THREADS=4
mpirun -np 4 /opt/qe-7.3.1/bin/pw.x < si.scf.in > si.scf.out

如果是 pw.x 已经添加到环境变量中，则 pw.x 可以直接执行：

• 串行运行：pw.x < si.scf.in > si.scf.out
• 并行运行：mpirun -np 4 pw.x < si.scf.in > si.scf.out

使用脚本 a.sh 提交任务并行运行（已配置环境变量）：

#!/bin/sh
#PBS -N task
#PBS -l nodes=1:ppn=4
export OMP_NUM_THREADS=4
mpirun -np 4 pw.x < si.scf.in > si.scf.out

5. 更多赝势下载：https://www.quantum-espresso.org/pseudopotentials/。

二、具体例子

这里的例子参考这个链接：https://pranabdas.github.io/espresso/hands-on/bands

pw.scf.silicon_bands.in 输入文件（需要修改赝势文件位置）：

&CONTROL
  calculation = 'scf',
  restart_mode = 'from_scratch',
  prefix = 'silicon',
  outdir = './tmp/'
  pseudo_dir = '/opt/qe-7.3.1/pseudo'
  verbosity = 'high'
/

&SYSTEM
  ibrav =  2,
  celldm(1) = 10.2076,
  nat =  2,
  ntyp = 1,
  ecutwfc = 50,
  ecutrho = 400,
  nbnd = 8,
!  occupations = 'smearing',
!  smearing = 'gaussian',
!  degauss = 0.005
/

&ELECTRONS
  conv_thr = 1e-8,
  mixing_beta = 0.6
/

ATOMIC_SPECIES
  Si 28.086 Si.pz-vbc.UPF

ATOMIC_POSITIONS (alat)
  Si 0.0 0.0 0.0
  Si 0.25 0.25 0.25

K_POINTS (automatic)
  8 8 8 0 0 0

运行命令：pw.x < pw.scf.silicon_bands.in > pw.scf.silicon_bands.out

pw.bands.silicon.in 输入文件（需要修改赝势文件位置）：

&control
  calculation = 'bands',
  restart_mode = 'from_scratch',
  prefix = 'silicon',
  outdir = './tmp/'
  pseudo_dir = '/opt/qe-7.3.1/pseudo'
  verbosity = 'high'
/

&system
  ibrav =  2,
  celldm(1) = 10.2076,
  nat =  2,
  ntyp = 1,
  ecutwfc = 50,
  ecutrho = 400,
  nbnd = 8
 /

&electrons
  conv_thr = 1e-8,
  mixing_beta = 0.6
 /

ATOMIC_SPECIES
  Si 28.086  Si.pz-vbc.UPF

ATOMIC_POSITIONS (alat)
  Si 0.00 0.00 0.00
  Si 0.25 0.25 0.25

K_POINTS {crystal_b}
5
  0.0000 0.5000 0.0000 20  !L
  0.0000 0.0000 0.0000 30  !G
  -0.500 0.0000 -0.500 10  !X
  -0.375 0.2500 -0.375 30  !U
  0.0000 0.0000 0.0000 20  !G

运行命令：pw.x < pw.bands.silicon.in > pw.bands.silicon.out

说明：运行这个命令之前，需要先运行前面的 pw.scf.silicon_bands.in 文件，且输出文件为同一个文件夹，这里为 ./tmp，因为计算能带需要用到前面的结果。

pp.bands.silicon.in 输入文件：

&BANDS
  prefix = 'silicon'
  outdir = './tmp/'
  filband = 'si_bands.dat'
/

K_POINTS {crystal_b}
5
  0.0000 0.5000 0.0000 20  !L
  0.0000 0.0000 0.0000 30  !G
  -0.500 0.0000 -0.500 10  !X
  -0.375 0.2500 -0.375 30  !U
  0.0000 0.0000 0.0000 20  !G

运行命令：bands.x < pp.bands.silicon.in > pp.bands.silicon.out

使用 Python 代码画图（用到 si_bands.dat.gnu 数据）：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

plt.rcParams["figure.dpi"]=150
plt.rcParams["figure.facecolor"]="white"
plt.rcParams["figure.figsize"]=(8, 6)

# load data
data = np.loadtxt('./si_bands.dat.gnu')

k = np.unique(data[:, 0])
bands = np.reshape(data[:, 1], (-1, len(k)))

for band in range(len(bands)):
    plt.plot(k, bands[band, :], linewidth=1, alpha=0.5, color='k')
plt.xlim(min(k), max(k))

# Fermi energy
plt.axhline(6.6416, linestyle=(0, (5, 5)), linewidth=0.75, color='k', alpha=0.5)
# High symmetry k-points (check bands_pp.out)
plt.axvline(0.8660, linewidth=0.75, color='k', alpha=0.5)
plt.axvline(1.8660, linewidth=0.75, color='k', alpha=0.5)
plt.axvline(2.2196, linewidth=0.75, color='k', alpha=0.5)
# text labels
plt.xticks(ticks= [0, 0.8660, 1.8660, 2.2196, 3.2802], \
           labels=['L', '$\Gamma$', 'X', 'U', '$\Gamma$'])
plt.ylabel("Energy (eV)")
plt.text(2.3, 5.6, 'Fermi energy')
plt.savefig('si_bands.jpg')
plt.show()

运行结果：

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