Quantum Espresso安装

       QE和Abinit都是目前免费开源的第一性原理计算软件，都是采用赝势和平面波的方法，其中QE的相应模块也常称为Pwscf，现在QE能够实现的功能也越来越多，所以相比Abinit，QE官网提供了大部分常用的赝势，使用比较方便。本文主要介绍QE的安装以及可能遇到的各种问题。

       硬件平台并未使用计算工作站，而是个人电脑，采用了Intel最新的i9 7980XE 芯片，内部有18核36线程，内存使用4通道32G DDR4 3600MHz。

1. Linux系统的安装

       QE和abinit等计算软件首先需要一个linux系统，这里选择ubuntu作为计算平台，安装ubuntu操作系统并且和windows组成双系统。由于Win 7已经无法支持x299主板芯片，表现为键鼠等无法识别，所以windows系统选择win10；ubuntu版本目前最新为ubuntu18.04，可以安装，但是不建议安装最新版本，因为18.04版本里安装并行环境以及QE编译等会遇到很多问题，需要额外做些多余的工作，问题很多，如果为了稳妥，建议直接安装ubuntu16.04LTS版本。后者由于linux内核版本较低，可能安装后无法识别Geforce显卡以及无线网卡，而ubuntu18.04则无此问题。

       安装win10和Ubuntu双系统，建议先安装win10，留下Ubuntu安装所需的硬盘空间。首先安装win10，利用u盘制作winPE系统(工具可以直接利用网上提供的老毛桃等软件制作)，如果安装镜像出现错误，可以直接利用PE内自带的windows安装器来安装。win10安装好后，再安装ubuntu，如果是ubuntu18.04，则可能用ultraISO工具写入硬盘映像后引导会出错，这时可用Rufus等工具写入(下载链接http://rufus.akeo.ie)。如果安装版本为ubuntu16.04，则可以直接用ulatraISO即可。ubuntu安装时不用选择和win10共存，而是用其它选项，这时可自由设计分区，建议设立swap分区，容量和内存一样大；然后可以直接设立ext4文件分区用于挂载/根目录，这时候要注意，很多教程建议独立分区分别挂载/home，/usr，如果想要采用这种，建议一定要为/或/opt/留下足够大的空间，因为intel所需的并行编译包只能安装在/opt/intel目录下，需要12G，如果空间不够，则无法安装。然后再设立一个分区efi(小于1G，注意，当BIOS无UEFI时则无此选项)，将引导挂载在此分区，这是BIOS为UEFI模式时可选择，如果非UEFI模式，则可以将Ubuntu的引导挂在在win10 C所在分区，这样开机直接进入Ubuntu的grub引导，如果win10为uefi模式启动，则这是出现的系统选项内的wi10项目并不能进入win10，如果想进入win10，需要在BIOS中启动顺序中第一项改为Windows boot manager则可进入win10。

2. Ubuntu系统内的配置

       在开始安装QE或者Abinit等之前，首先需要让Ubuntu系统联网检查更新，之后为系统安装c、c++和Fortran的编译器。编译器可以选择GNU的gcc、g++和gfortran，如果用的是intel的平台，可以选择安装intel的icc、icpc和ifort编译器(intel的并行编译器包可在官网下载，但目前需要注册，如果有学校邮箱，可免费得到序列号)。

2.1 选择GNU的gcc和gfortran编译器：

      Ubuntu系统对用户和文件读写权限有细致的划分，所以最好将所需软件安装在自己的工作目录下(/home/用户名)，这样编译安装时就无需总是利用sudo命令临时成为root用户。由于默认sudo命令成为root用户的时间较短，每次sudo都要频繁输入密码，所以为了方便，可以延长sudo命令在终端内的时间，终端输入sudo visudo，在打开的文件内，将原来的Defaults env_rese改为：

Defaults env_rese，timestamp_timeout=20

上面的20单位为分钟，就是一次输入sudo密码后可以维持20分钟。在ubuntu系统内打开终端，在终端内可以直接使用sudo apt-get install gcc以及g++和gfortran来安装c、c++和Fortran的编译器。安装完成后可查看安装编译器的版本：

ls /usr/bin/gcc* -l

Ubuntu18.04默认安装的是gcc-7，相应的Fortran编译器为gfortran-7，都是通过在/usr/bin/目录下通过链接方式将gcc链接到gcc-7; 如果QE安装的是qe6.x版本，则与以上版本的编译器存在问题(在configure后，make环节会出错，可能会出现各种如：can’t open module file ‘fox_dom.mod’等奇怪问题，或者recipe for ** failed 等提示)。这种原因可能是高版本gcc-7或者gfortran-7编译器和qe之间存在兼容问题。解决方法就是降低编译器的版本，这里选择安装低版本gcc-5，g++-5，gfortran-5(版本6也可以)，安装方式直接用sudo apt-get install gcc-5等(c++和fortran的编译器为g++-5，gfortran-5)，安装好后进行配置，可以选择系统默认使用哪种版本的编译器：

sudo update-alternatives --install /usr/bin/gcc gcc /usr/bin/gcc-5  40

sudo update-alternatives --install /usr/bin/gcc gcc /usr/bin/gcc-7  60

上面的数字40和60表示优先级，数值越大则优先级越高，系统优先选择作为默认的编译器。这里将gcc-7的优先级写为60，如此系统会将gcc链接到gcc-7，即使用较高版本的编译器作为默认。以后使用时可以采用如下命令更换系统默认的编译器版本：

sudo update-alternatives --config gcc

终端会在上述命令后列出编译器的所有版本，让你选择一种。所以之后都选择低版本的gcc，即gcc-5，其余的gfortran和g++都是同样的配置方法，将上述命令内的gcc替换即可，如此编译器就安装好了。补充说明：为了之后编译安装并行计算openmpi，还需要安装c++的相关package，否则后文编译openmpi时的configure环节会出现c++ preprocessor “/lib/cpp” fails sanity check等问题，因此最好再安装build-essential：可sudo apt-get install build-essential即可。

2.2 选择intel的编译器

      Intel的编译器会使用Intel相应的数学库，因此如果采用intel芯片，使用intel编译器，计算效率会有所改善(特别是多核处理器)。如果要使用intel的编译器以及并行环境，最好在ubuntu16.04进行，ubuntu18.04可能会出现一些问题。intel的并行编译包(包括c、Fortran等编译器和并行环境以及库函数等)可在intel官网下载(需要官网注册，如果有学校edu邮箱，就可以免费得到序列号，不过需要等几天才能邮件收到回复和下载链接以及序列号，所以需要提前注册。等收到邮件后就可以通过官网下载linux版本的安装包文件parallel_studio_xe_2018_update3_cluster_edition.tgz包，大小有4个G左右，包括编译器和mkl库和并行计算包等)，目前网上也有相应的破解版(可直接百度搜索Intel Parallel Studio XE 2018)。终端内使用tar解压：

tar -xzvf 压缩文件名

解压后进入文件内目录，直接在终端输入命令：

./install.sh

然后程序会引导你安装，过程中需要你输入邮件里的序列号，然后完全按照引导程序的提示安装即可。引导程序提示安装完成后需要配置，主要是配置环境变量PATH和LD_LIBRARY_PATH，后者的配置非常重要。配置选择修改用户目录下的.bashrc文件：

sudo vim ~/.bashrc

在文件后添加：

PATH=“/opt/intel/compilers_and_libraries_2018.3.222/linux/bin/intel64:/opt/intel/compilers_and_libraries_2018.3.222/linux/daal/bin:/opt/intel/compilers_and_libraries_2018.3.222/linux/ipp/bin:/opt/intel/compilers_and_libraries_2018.3.222/linux/mkl/bin:/opt/intel/compilers_and_libraries_2018.3.222/linux/pstl/bin:/opt/intel/compilers_and_libraries_2018.3.222/linux/tbb/bin:$PATH” LD_LIBRARY_PATH=”/opt/intel/compilers_and_libraries_2018.3.222/compiler/include/intel64:/opt/intel/compilers_and_libraries_2018.3.222/compiler/lib/intel64:/opt/intel/compilers_and_libraries_2018.3.222/linux/daal/bin:/opt/intel/compilers_and_libraries_2018.3.222/linux/ipp/lib/intel64:/opt/intel/compilers_and_libraries_2018.3.222/linux/mkl/lib/intel64:/opt/intel/compilers_and_libraries_2018.3.222/linux/tbb/lib/intel64/gcc4.7:$LD_LIBRARY_PATH”

补充：如果不用intel的编译器，但是用intel的芯片，为了进一步优化，可选择安装mkl库，这个可以直接下载，安装不需要序列号，同样会引导安装，配置：

sudo vim ~/.bashrc

在文件最后添加：

PATH=“/opt/intel/bin:/opt/intel/mkl/bin:$PATH”

LD_LIBRAY_PATH=”/opt/intel/lib/intel64:/opt/intel/mkl/lib/intel64:$LD_LIBRARY_PATH”

但是要说明，这个mkl库和openmpi不太兼容，会出现一些错误，如果处理器核心大于8个，则用QE安装时如果在configure环节找到使用了mkl库，则之后make all后，利用openmpi做并行计算，计算时会发现mpirun -np的核数目大于8会出现段错误，这个原因可能和mkl版本有关，所以提醒要注意。

3. 并行计算openmpi的安装

并行计算需要MPI，目前免费版本有openmpi，可在官网下载最新版本的openmpi，目前是openmpi3.1.1.tar.gz，用tar 命令解压后进入文件目录。注意，openmpi安装时所用编译器必须和之后QE安装时作用编译器一致。

3.1 采用gcc和gfortran编译器  

    解压openmpi压缩包后直接进入目录内，然后终端输入：

./configure --prefix=”指定的安装目录”

如果不指定安装兖，则默认安装到/usr/local/openmpi。configure完成后，注意终端有无提示错误，没有错误，就可以编译和安装了，终端输入：

make

没有错误，则继续在终端输入：

make install

如果指定目录不在用户目录下，需要sudo make install，openmpi在make和makeinstall时，即使用gcc和gfortran的高版本编译器，也不会出现什么问题，但之后QE在make环节会出错，所以这里依旧采用低版本的编译器来编译安装。安装完成后进行配置(这里假设采用默认路径安装)，依旧是修改用户目录下的.bashrc文件，添加：

PATH=“/usr/local/openmpi/bin:$PATH”

LD_LIBRAY_PATH=”/usr/local/openmpi/lib:$LD_LIBRAY_PATH”

配置完成后通过输入which mpirun来判断配置是否正确。

3.2用intel编译器编译安装

如果想要使用icc和ifort编译安装QE，则并行计算程序也要使用intel编译器编译安装，进入openmpi的目录：

./configure --prefix=”指定的安装目录” CC=icc CXX=icpc F77=ifort FC=ifort

虽然这时你是选择用intel的icc编译，但是如果你安装的gcc版本为7，或者系统默认使用的是高版本的gcc编译器，则configure环节会出错：can‘t find a C99 compiler, 提示在check icc支持C99的时候出现no；所以当你降低gcc的版本到5或者6，则configure可正常进行。之后和用gcc和gfortran一样，make，make install并且配置。

4. Quantum Espressor的安装

    在QE的官网直接下载最新版的qe，目前最新版本为qe6.3。用tar命令解压后进入目录：

4.1使用gcc和gfortran

直接解压安装包后进入目录，在终端输入：

./configure

完成后注意观察有没有找到并行环境(找到最后会有：Parallel environment detected successfully)，然后观察找到mkl库没有(注意，装了mkl后，计算可能会有问题，效率并未提高)，如果没有可以按照configure结束最后提示用LIBDIRS=“寻找路径”重新配置，并且要观察configure最后有没有找到并行环境，如果正常，可以make all或者输入make然后按照出来的列表，选择make PW等。注意，如果用的是高版本的gcc-7，gfortran-7,则configure会正常，但是make时会出现各种问题，表象依旧是can’t open module file ‘’等，或者recipe for ** failed 等提示。

4.2使用intel编译器

如果openmpi是使用intel的编译器编译，则直接默认：

./configure

就会使用ifort和icc编译器，可以注意终端内的提示。如果依旧使用的是gcc和gfortran，则可以用下述命令：

./configure CC=icc F77=ifort CXX=icpc F90=ifort

如果终端未提示错误，并且找到并行环境，就可以继续输入：

make

make all

输入make后会出现选项，可以选择需要安装的模块，如PW，PP等。安装完成后，主要检查安装目录内的bin内有无pw，pp等文件，然后配置路径名，但是要求检测到的并行计算软件也是用一致的编译器，如用openmpi，则openmpi也要用相应的编译器，也可直接使用parallel_studio_xe_2018_update3_cluster_edition.tgz包内的并行软件，只要在路径设置好，QE在configure时就会检测到。并行计算时，如果要判断用那种MPI,只需要which mpirun来判断。但是intel的mpirun使用时会有错误，所以最好还是使用openmpi。

5. 计算测试

    测试使用某一slab计算文件，在i5-6500台式机上计算用时73min，发现不同编译器编译后的QE计算时间相差并不明显，但是在I9-7980XE平台上，用intel的编译器编译安装的QE计算需要12min，如果用GNU的编译器编译后需要23min，可见对于多核用intel编译器，效率改善非常明显。

补充：ABINIT的安装

abinit官网下载安装包，目前版本是abinit.8.3.3.tar.gz，用tar解压后进入目录，abinit可以直接利用gcc等编译器的版本7，所以不必降低gcc的版本：

./configure --prefix="目录" –with-mpi-prefix="openmpi的目录" --enable-mpi='yes'

如果想要选择编译器，可以用FC和CC，配置没有问题后，可以make all install。