TDDFT计算软件Octopus学习笔记(一)：Ubuntu下Octopus的安装

1.简介

Ocotpus 是一款科学计算软件，可以对多种不同体系进行从头计算(ab initio)的模拟。在密度泛函理论(DFT)的理论框架下用量子力学来描述电子, 而核用经典的点粒子描述，电子-核相互作用以赝势近似来描述。Octopus可以进行基态计算，也可以利用时间密度泛函(TDDFT)进行时间依赖的模拟，。
Octopus 还支持MPI和OpenMP来进行并行计算，也支持OpenCL和CUDA利用GPU计算。Octopus是一款Linux系统下的免费软件，在GNU通用公共许可证框架下发布，你可以免费下载，使用，修改。
Octopus的安装过程比较复杂，因为它有很多依赖库。笔者根据octopus官网提供的详细安装指南，在此分享如何在个人计算机 Ubuntu18.04 系统中安装Octopus11.4串行(serial)版本的全过程。

2.1 编译器

Octopus的代码使用标准 Fortran 2003写成，还有一些例程(routines)是使用C语言编写，所以我们需要一个C编译器和Fortran 2003 编译器。命令行下直接使用apt命令安装即可。

$ sudo apt install gcc           #C 编译器
$ sudo apt install gfortran      #fortran 编译器

很多人系统中可能已经安装过这两个编译器，以C编译器gcc为例，若检查是否已经安装过gcc，可以输入以下命令：

gcc --version

意为查看gcc的版本，如果已经安装，则会输出相应版本号：

gcc (Ubuntu 7.4.0-1ubuntu1~18.04.1) 7.4.0
Copyright (C) 2017 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

2.2 编译器标志

通常编译器标志(Compiler flags)为系统自动选择的优化标志，但在安装Octopus过程中，需要我们指定标志，笔者亲测使用不同标志会导致安装报错。这里，C编译器标志指定为 -O3 -march=native (大写字母O)，fortran编译器标志为 -O3 -ffree-line-length-none ，目前还不需要指定操作，在后面安装依赖库的时候才需要指定标志。

3.1 依赖库的安装

首先，make, automake, m4, libtool 这几个包是必要条件，可以直接用apt安装，包名–version 来检查是否安装成功。

sudo apt-get install make
sudo apt-get install automake
sudo apt-get install m4
sudo apt-get install libtool

其中make和automake是重要的编译工具，在linux环境下安装软件，一般都通过 配置->编译->安装 这个过程实现，即

./configure  ->  make  ->  make install

m4是是一个通用的宏处理器，大多数人需要 m4 仅仅是因为 GNU autoconf 中的 “configure” 脚本依赖它。
libtool是处理动态链接库的工具，可以解决库依赖的问题，将使用动态库的复杂性隐藏在统一、可移植的接口中。
接下来还有5个数学库：BLAS，LAPACK，GSL，FFTW3，LibXC，下面逐一介绍。

在安装数学库之前，我们先创建一个文件夹来作为octopus和各种库的安装位置，我们假设这个文件夹路径为 basedir ，别忘了在后文对这个文件夹进行操作时要将它换成你自己的路径，想安装在哪里都可以，例如，我的 basedir 为 /home/chen/octopus/

3.2 BLAS

BLAS (Basic Linear Algebra Subprograms)即基本线性代数子程序，提供用于执行基本矢量和矩阵运算的标准构建块的例程。
1级BLAS执行标量，矢量和矢量-矢量运算，2级BLAS执行矩阵矢量运算，3级BLAS执行矩阵运算。由于BLAS高效，便携且广泛可用，因此它们通常用于开发高质量线性代数软件，例如LAPACK。
首先在网上下载压缩包：http://www.netlib.org/blas/blas-3.10.0.tgz
解压压缩包并进入新创建的 BLAS 文件夹
编辑 make.inc 文件，并修改fortran编译器的标志为：

FC  = gfortran -m64
FFLAGS = -O3 -ffree-line-length-none
FFLAGS_DRV = $(FFLAGS)
FFLAGS_NOOPT =
LOADER = gfortran
LOADOPTS =

接下来使用 make 命令来进行编译，这会花费一段时间。

make

然后在octopus安装路径下创建新文件夹 lib，注意将 basedir 换成你自己的安装路径。

mkdir basedir/lib

将make命令后新产生的文件 blas_LINUX.a 复制到 basedir/lib/ 文件夹下并重命名

cp  blas_LINUX.a   basedir/lib/libblas.a

注：产生的新文件总是叫 blas_LINUX.a ，独立于你所用的操作系统，只是叫这个名字而已。

3.3 LAPACK

Lapack 即 Linear Algebra PACKage，是一个线性代数包，它提供了求解联立线性方程组，线性方程组最小二乘解，特征值问题和奇异值问题的例程，还提供了相关的矩阵因子分解（LU，Cholesky，QR，SVD，Schur，广义Schur），以及相关计算。
首先在网上下载压缩包：https://github.com/Reference-LAPACK/lapack/archive/refs/tags/v3.10.0.tar.gz
解压压缩包并进入新产生的 lapack 文件夹
复制 make.inc.example 文件为 make.inc

cp make.inc.example  make.inc

编辑 make.inc 文件，并修改相应编译器的标志为：

FC = gfortran -m64
FFLAGS = -O3 -ffree-line-length-none
FFLAGS_DRV = $(FFLAGS)
FFLAGS_NOOPT =
LOADER = gfortran
LOADOPTS =

接下来使用 make lib 命令来进行编译，这会花费一段时间。

make lib

将新产生的文件 lapack_LINUX.a 复制到 basedir/lib/ 文件夹下并重命名

cp   lapack_LINUX.a   basedir/lib/liblapack.a

注：产生的新文件可能叫 lapack_LINUX.a（官方教程产生的），也可能叫 lapack.a or liblapack.a（笔者电脑产生的）

3.4 GSL

这是一个GNU数学函数库，该库提供了广泛的数学例程，如随机数生成器，特殊函数和最小二乘拟合。
首先下载压缩包 https://mirror.ibcp.fr/pub/gnu/gsl/gsl-latest.tar.gz

解压压缩包并进入新产生的文件夹
运行配置文件：

./configure CC="gcc -m64" --prefix=basedir --disable-shared --enable-static

注：configure命令的参数解释之 --prefix：该参数指定了安装路径，这里我们把库安装在之前设好的 baseidr 下，并非是下载解压缩库后所形成的的新文件夹。
编译并安装

make
make install

3.5 FFTW 3

FFTW（the Fastest Fourier Transform in the West）是一个C子程序库，用于计算一个或多个维度，任意输入大小，实数和复数数据的离散傅里叶变换（DFT）

首先下载压缩包 www.fftw.org/fftw-3.3.10.tar.gz
解压压缩包并进入新产生的文件夹
配置

./configure  --prefix=basedir  CC="gcc -m64" CFLAGS="-O3 -march=native" F77="gfortran  -m64" F77FLAGS="-O3 -ffree-line-length-none"

编译并安装

make
make install

3.6 LibXC

这是一个密度泛函理论(DFT)的交换关联泛函库，其中你可以找到不同类型的泛函，例如：LDA, GGA, hybrids, 和 mGGA。 Libxc库也可以用于Abinit软件，目前最新版本为4.3.4。
首先下载压缩包 www.tddft.org/programs/libxc/down.php?file=5.2.2/libxc-5.2.2.tar.gz
解压压缩包并进入新产生的文件夹
配置

 ./configure --prefix=basedir CC="gcc -m64" CFLAGS="-O3 -march=native" FC="gfortran -m64" FCFLAGS="-O3 -ffree-line-length-none"

If you’re not using a stable release tarball, you’ll first need to generate configure with autoreconf -i.

编译并安装

make
make install

4.1 Octopus 安装

编译完这些库后，我们可以开始编译Octopus了
首先下载最新版本的Octopus-11.4 ： octopus-code.org/down.php?file=11.4/octopus-11.4.tar.gz
解压压缩包并进入新产生的文件夹
定义几个环境变量，用来写配置脚本：

export LIBS_BLAS=basedir/lib/libblas.a
export LIBS_LAPACK=basedir/lib/liblapack.a
export LIBS_FFT=basedir/lib/libfftw3.a

接下来写配置脚本：

autoreconf -i

./configure CC="gcc -m64" CFLAGS="-O3 -march=native" FC="gfortran -m64" FCFLAGS="-O3 -ffree-line-length-none" --prefix=basedir  --with-gsl-prefix=basedir --with-libxc-prefix=basedir  --with-fftw-prefix=basedir

注：configure命令的参数解释之 --with ：该参数指定了配置文件时去哪里寻找对应的库
注: ./configure -h
编译并安装

make
make install

如果一切都进展顺利的话，Octopus应该会成功安装在你一开始设定的 basedir 文件夹内，可执行文件放在 basedir/bin/ 文件夹内，接下来将其路径添加到环境变量里(临时设置)，以便你可以只输入 octopus 就可运行，而非每次都要输入 basedir/bin/octopus 才行。

export PATH=$PATH:basedir/bin/octopus

也可以永久设置环境变量, 通过修改 ~/..bashrc 文件

cd ~
vim .bashrc

在里面加入:

export PATH="$PATH:basedir/bin/octopus"

重启生效

source .bashrc

4.2 简单例子运行测试

新建一空文件夹并进入，建立一个文件，命名为 inp ，并将其内容编辑为：

CalculationMode = gs%Coordinates'H' | 0 | 0 | 0
%

注：文件只能命名为 inp， octopus 只识别这个输入文件名
接下来试运行：

octopus &> output

即可运行octopus并将输出结果重定向到新建的 output 文件中。
若只运行：

octopus

则输出会在屏幕上实时显示。