巨幅减小Gaussian的TDDFT计算产生的fch文件的尺寸的方法

sobereva

巨幅减小Gaussian的TDDFT计算产生的fch文件的尺寸的方法
A method to greatly reduce the size of the fch file generated by TDDFT calculation of Gaussian

文/Sobereva@北京科音   2023-Feb-7

1 G16 C.01开始TDDFT的fch文件尺寸巨大的问题

Gaussian 16从C.01版开始，对大体系做TDDFT计算得到的chk转换成的fch文件（Linux下默认为fchk后缀，是一码事，本文不做区分）尺寸颇大，尤其是算的激发态数目多的时候。例如用Gaussian 16 C.02对C60富勒烯在6-31G*下做TDDFT计算50个激发态，产生的chk文件是1356 MB，formchk转换出来的fch文件达到1915MB！如果用G16 B.01计算，虽然产生的chk文件也是这么大，但是formchk转出来的fch只有38MB，仅是G16 C.02版尺寸的一个零头。之所以两个版本的formchk转出来的fch文件尺寸差异这么大，在于从G16 C.01版开始fch文件里额外保存了Excited state densities和G to E trans densities字段，分别记录激发态密度矩阵和基态到激发态的跃迁密度矩阵。这俩信息对绝大多数用户没什么用，而且要用它们的时候还可以随时用Multiwfn计算出来，见《使用Multiwfn绘制跃迁密度矩阵和电荷转移矩阵考察电子激发特征》（http://sobereva.com/436）。

巨大的fch文件显然非常占硬盘，而且网络传输又特别费时间、费流量。为了解决此问题，这里提供两个解决方法，分别用fchred和Multiwfn程序。


2 fchred程序

我写的fchred程序的用途是将fch中占空间极大的Excited state densities和G to E trans densities字段去掉，从而减小fch文件的体积。此程序可以在http://sobereva.com/soft/fchred.zip免费下载，带.exe后缀的是Windows版，不带后缀的是Linux版。

启动fchred后，输入原fch文件的路径，再输入新产生的fch文件的路径，就会开始转换。对于前面说的G16 C.02做TDDFT算富勒烯的例子，原本的fch文件经过fchred处理后，尺寸从1915MB减小到了38MB，和G16 B.01版得到的fch文件的大小基本一致。

fchred也可以通过命令行使用，比如输入fchred Liella.fch，就会直接产生转换完的Liella_new.fch文件到当前目录下。


3 利用Multiwfn程序减小fch文件尺寸

波函数分析程序Multiwfn（http://sobereva.com/multiwfn）提供了非常丰富的电子激发分析功能，见《Multiwfn支持的电子激发分析方法一览》（http://sobereva.com/437）。其中有很多功能，比如空穴-电子分析（http://sobereva.com/434）、IFCT分析（http://sobereva.com/433）等，对于Gaussian用户来说都需要提供fch文件，Multiwfn会从中读取基函数和轨道信息。大量Gaussian和Multiwfn用户留着fch文件就是为了做这些分析，以及用Multiwfn看轨道图像（http://sobereva.com/269），以及做各种依赖于基态波函数的分析。

如果你就是为了上述目的留着fch，可以用Multiwfn载入fch文件之后选择主功能100的子功能2，再选择导出fch文件。这样得到的fch文件里就只保留了对以上目的有用的信息了，其它没用的字段就全都消失了。前述的G16 C.02算富勒烯TDDFT例子的fch文件在这么处理后，新的fch文件尺寸仅有19MB，比G16 B.01的fch还要小一倍！

对于以上目的，笔者更建议让Multiwfn转出来我提出的mwfn格式（https://doi.org/10.26434/chemrxiv-2021-lt04f-v6）的波函数文件，对于在Multiwfn中做分析可以起到和fch同等的用处，而由于mwfn格式更为紧凑，尺寸更小。用Multiwfn载入原fch文件，进入主功能100的子功能2，选择相应选项就能导出mwfn文件，在Multiwfn让你选择在mwfn里导出什么信息时选择Only export wavefunction就够了。对于前例，这样产生的mwfn文件尺寸只有不到13MB，进一步用winrar或7zip压缩后就只有不到2MB了，尺寸已可以忽略不计（而原本的fch有1915MB之大！）。当一个激发态相关的研究课题搞完后，笔者建议对相关的fch文件都这么处理，能够巨幅节约硬盘。

别忘了Multiwfn可以方便地通过命令行使用，也可以写脚本实现用Multiwfn快捷地批处理fch文件，参见《详谈Multiwfn的命令行方式运行和批量运行的方法》（http://sobereva.com/612）。

相对于用Multiwfn，用fchred减小fch文件的唯一一个优点是可以保留其它信息。比如做激发态的振动分析得到了fch文件，如果用Multiwfn处理的话fch里的Hessian矩阵等信息就没了，之后就没法用比如sobtop（http://sobereva.com/soft/Sobtop）计算激发态的力场参数了，也没法用GaussView去观看振动模式了。