CP2K (GPU Accelerated Version)

1. 简介 (Introduction)

CP2K 是一款著名的开源量子化学与固态物理计算软件包，能够执行原子模拟、电子结构计算（DFT）、从头算分子动力学（AIMD）等任务。

本版本专为 NVIDIA RTX 4090 (Ada Lovelace) 架构优化，基于 CUDA 12.8 编译。

• 核心特性：使用 GPW (Gaussian and Plane Waves) 方法。
• GPU 加速：已启用 DBCSR (Distributed Block Compressed Sparse Row) 加速，矩阵乘法运算将卸载至 GPU 执行。
• 依赖环境：OpenMPI, OpenBLAS, FFTW3, CUDA 12.8。

2. 快速开始 (Running Benchmarks)

以下步骤演示如何运行标准的 H2O-64（64个水分子的 DFT 计算）基准测试，以验证 GPU 加速是否生效。

步骤 1：设置环境变量

在运行计算前，建议设置以下并行参数以获得最佳性能（针对单卡 4090 + 多核 CPU）：

# 添加 CP2K 可执行文件到路径 (根据你的实际安装位置)
export PATH=/workspace/cp2k-2025.2/exe/local_cuda:$PATH

# 设置 OpenMP 线程数 (建议设置为 CPU 物理核心数，例如 16)
export OMP_NUM_THREADS=16

# 增加堆栈大小以防止内存溢出错误
export OMP_STACKSIZE=512M
ulimit -s unlimited

步骤 2：进入测试目录

CP2K 自带了丰富的测试用例，我们使用标准的 QS 基准测试：

cd /workspace/cp2k-2025.2/benchmarks/QS

步骤 3：运行测试命令

使用 mpirun 启动计算。

• -np 1：使用 1 个 MPI 进程（对应 1 张 GPU）。
• --allow-run-as-root：如果你在 Docker/容器的 root 用户下运行，必须加此参数。

mpirun --allow-run-as-root -np 1 cp2k.psmp -i H2O-64.inp -o H2O-64.out

步骤 4：验证 GPU 状态

在任务运行时，打开一个新的终端窗口，输入以下命令监控显卡：

watch -n 1 nvidia-smi

预期现象：

• Volatile GPU-Util：数值应该在波动（例如 10% - 90%），表明 GPU 正在参与计算。
• Processes：进程列表中应出现 cp2k.psmp。

步骤 5：检查输出结果

任务完成后（或运行几步后），检查输出文件 H2O-64.out 确认 GPU 被识别：

# 检查是否识别到 NVIDIA RTX 4090
grep "DBCSR| ACC:" H2O-64.out

# 预期输出类似：
# DBCSR| ACC: Number of devices: 1
# DBCSR| ACC: Device 0: NVIDIA GeForce RTX 4090