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04-ase-calculators：用 ASE 统一驱动 VASP、Gaussian、CP2K、OpenMX

目的

同一个 Atoms 对象，换一个计算器（Calculator）就能交给不同的第一性原理程序计算。本目录给出四个最小可用脚本，并展示每个计算器的环境变量、单位约定和常见坑。

文件说明

文件 程序 体系 要点
ase_vasp_relax.py VASP 6.x 体相 Si --mode vasp：VASP 自己优化（IBRION=2, ISIF=3）；--mode ase：ASE 的 BFGS + FrechetCellFilter，VASP 只做单点
ase_gaussian_h2o_opt.py Gaussian 16 H2O GaussianOptimizer 调用 Gaussian 内置优化器，然后做频率
ase_cp2k_water_sp.py CP2K 2023.x–2026.x H2O（非周期） cp2k.psmp -s shell 模式；复杂设置用 inp 模板
ase_openmx_si.py OpenMX 3.9/4.0 体相 Si energy_cutoff、convergence 以 eV 为单位输入
job_ase_vasp.slurm — — 在 Slurm 作业中运行 ASE 驱动脚本的模板

运行步骤

先设置环境变量（建议写进 ~/.bashrc，见 第1章）：

# VASP：VASP_PP_PATH 指向“包含 potpaw_PBE/ 的上级目录”
export VASP_PP_PATH=$HOME/pp                 # $HOME/pp/potpaw_PBE/Si/POTCAR
export ASE_VASP_COMMAND="mpirun -np 16 vasp_std"
# Gaussian：PREFIX 会被替换为 label
export ASE_GAUSSIAN_COMMAND="g16 < PREFIX.com > PREFIX.log"
export GAUSS_SCRDIR=/tmp/$USER
# CP2K
export CP2K_DATA_DIR=/path/to/cp2k/data
export ASE_CP2K_COMMAND="mpirun -np 4 cp2k.psmp -s"
# OpenMX
export OPENMX_DFT_DATA_PATH=/path/to/openmx4.0/DFT_DATA19
export ASE_OPENMX_COMMAND=openmx

不调用程序、只检查输入是否正确（推荐先做这一步）：

python ase_vasp_relax.py --dry-run            # 生成 si_relax_vasp/{INCAR,KPOINTS,POSCAR,POTCAR}
python ase_gaussian_h2o_opt.py --dry-run      # 打印 g16/h2o_opt.com
python ase_openmx_si.py --dry-run             # 打印 omx/si.dat（需要 DFT_DATA19 中的 Si_PBE19.vps）

正式运行（在计算节点或作业脚本内）：

sbatch job_ase_vasp.slurm                     # VASP（作业脚本内设置 ASE_VASP_COMMAND）
python ase_gaussian_h2o_opt.py
python ase_cp2k_water_sp.py --relax
python ase_openmx_si.py --np 8

预期结果 / 如何检查

  • VASP：si_relax_vasp/OUTCAR 中出现 reached required accuracy；PBE 下 Si 的晶格常数约 5.47 Å（PBE 一般比实验值 5.431 Å 大约 0.7%）。
  • Gaussian：g16/h2o_opt.log 末尾为 Normal termination，频率任务没有虚频（grep "imaginary" g16/h2o_freq.log 无输出）。
  • CP2K：标准输出打印能量和力；运行目录中的 h2o.inp 是 ASE 合成的完整输入，h2o.out 是 CP2K 输出（grep "ENERGY| Total FORCE_EVAL" h2o.out）。调试通信可加 debug=True。
  • OpenMX：omx/si.out 中有 Utot. 行，omx/si.log（标准输出）中有 The SCF was achieved。

注意事项

  • ASE_VASP_COMMAND 未设置时会报 Please set either command in calculator or one of the following environment variables ...。
  • ASE ≥ 3.23 的文件型计算器（Gaussian、OpenMX 等）若没有命令配置，会报 EnvironmentError: No configuration of openmx，设置 ASE_<NAME>_COMMAND 或 ~/.config/ase/config.ini 即可。
  • ASE 的 OpenMX 接口会把 System.CurrentDirectory 写成绝对路径，脚本中显式设为 ./；高级功能（DFT+U、NEGF、Wannier）请直接手写 .dat。
  • 不要把 POTCAR 提交到 Git 仓库或公开上传，它受 VASP 许可证保护。

返回教程：第4章 ASE 与 pymatgen 实战