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Gaussian的安装方法及运行时的相关问题 Installation method of Gaussian and issues related to running
文/Sobereva@北京科音 First release: 2018-Sep-5 Last update: 2023-Aug-29
Gaussian是目前最流行、用户最多的量化程序，从《2018年度计算化学公社杯最常用的量子化学程序和DFT泛函投票结果统计》（http://sobereva.com/420）的统计就可见一斑。很多初学者在安装Gaussian时总是遇到各种问题。网上有大量乌七八糟的关于安装Gaussian的中文资料，极少有完全正确的，严重毒害Gaussian初学者，导致他们绕了大量弯路。鉴于笔者答疑过程中关于安装Gaussian的问题出现频率很高，这里就说一下最正确的安装Gaussian的方法，以正视听，同时也说一些常见的相关问题。如果你在网上看到的安装步骤与本文不同，那么要么有多余的步骤，要么是错误的，导致配置完了之后Gaussian都没法完全正常运行！下文当中每一个空格都要看清楚，如果你视力太差看不清楚空格，可以从本文当中直接复制命令。
PS：如果你是几乎零基础想开始上手做量子化学计算的人，想最好、最快速、最系统、最正确地学怎么用Gaussian做量子化学计算，十分建议参加北京科音初级量子化学培训班，见http://www.keinsci.com/workshop/KEQC_content.html的介绍和《谈谈学量子化学如何正确地入门》（http://sobereva.com/355）。
1 在Linux下安装和运行Gaussian
1.1 几个Linux常识
考虑到一些Gaussian使用者是Linux初学者，为便于他们顺利安装Gaussian，这里先普及几个常识。
关于shell：Linux下有很多种shell，诸如bash、csh、ksh等，相当于不同的文本终端的界面。不同的shell下一些命令不同，比如设置环境变量，在bash里用export命令，而在csh里用set命令。其中Bash是最常见的shell，也是大多数Linux系统默认的shell。如果你不确定你当前用的是什么shell的话，可以在Linux终端里输入echo $SHELL看显示的是什么。本文假定大家用的是bash，如果用的不是bash，也可以在终端里输入bash切换成bash shell。
关于用户主目录：Linux下每个用户都有自己的主目录。默认情况下，你以命令行方式登录系统后，你当前所在的目录就是用户主目录，可以敲pwd命令显示当前的目录。如果你是普通用户的话，那么主目录将为/home/[用户名]/。如果你是root的话，那么主目录就是/root/。
关于文件权限：Linux下每个文件都有称为权限的属性，可以用chmod命令来修改。权限包括是否可执行、是否可读取、是否可修改。比如chmod +x ./niconiconi就会把当前目录下的niconiconi加上可执行权限，再比如chmod 750 /sob/yoshiko.exe命令就会把/sob/yoshiko.exe文件设为750权限。这里750的百位数、十位数、个位数分别对应这个文件对于当前用户的权限、对于与当前用户同组用户的权限、对于其它组用户的权限。7对应完整的权限，即可执行、可读取、可写入，5代表可读取、可执行，而0代表所有权限都没有。更多关于chmod的知识请自行google。
关于.bashrc文件：每个用户主目录下都会有.bashrc文件，这是个文本文件，里面记录了当你每次登录bash shell的终端的时候都会自动执行的命令。因此如果有些命令你希望每次登录终端时都能生效，那么把命令写入.bashrc文件即可。.bashrc文件里有一些自带的内容，那些都不用管，自己加新的命令往此文件末尾添加即可。Linux下所有开头为.的文件都是隐藏文件，直接用ls命令看不到，而得用诸如ls -a才能看到。如果你是在系统自带的图形界面的文件浏览器下，得按一次Ctrl+H才能看到隐藏文件。显然，.bashrc文件也是个隐藏文件。
1.2 Gaussian的安装
假设当前用户名是sob，要把Gaussian安装到自己的主目录下，且用的是bash，那么安装过程为：
把Gaussian压缩包解压到/home/sob/目录下
建立一个文件夹用于储存Gaussian运行过程中产生的临时文件，位置随意。比如此例我们建立/home/sob/g09/scratch。
用vi或者gedit等文本编辑器打开/home/sob/.bashrc，在里面加入以下语句然后保存文件。
export g09root=/home/sob
export GAUSS_SCRDIR=/home/sob/g09/scratch
source /home/sob/g09/bsd/g09.profile
其中，g09root环境变量用来说明Gaussian目录被放在了哪个目录下。GAUSS_SCRDIR环境变量用来说明哪个文件夹作为临时文件夹。source命令用来执行Gaussian自带的脚本文件，其中包含了各种配置Gaussian运行环境的命令。
重新进入终端使以上内容生效（如果你是用Linux图形环境，就关闭终端窗口，然后重新打开。如果你是通过ssh方式登录服务器，就断开连接，然后重新连接服务器）
Gaussian目录下的Default.Route用来设定默认用的计算资源（如果没有此文件就新建一个），-M-设置默认用的最大内存量（一般用MB或GB为单位，也可以用MW和GW，1MW=8MB、1GW=8GB），-P-设置默认用多少CPU核数来并行计算。比如我们想默认用36个核心、最大60GB内存做计算，就在/home/sob/g09/Default.Route里面写入以下内容
-M- 60GB
-P- 36
此文件中的设置优先级低于输入文件里的%mem和%nproc设置。因此，输入文件里没写%mem的时候才会用这里的-M-设置，输入文件里没写%nproc的时候才会使用这里的-P-设置。如果你既没在这里设-P-也没写%nproc，那么程序只用单核计算。如果你既没在这里设-M-也没写%mem，那么G09最多用256MB内存，G16最多用800MB内存（注：值得一提的是G16 C.01有bug，Default.Route里的-M-不生效，必须自己靠%mem方式定义内存。其它版本Gaussian没这个问题）。
最后，切换到/home/sob/g09/目录，运行chmod 750 -R *命令，之后Gaussian就可以使用了。这里-R *代表对当前目录下所有文件和所有子目录下的文件都设置权限。
如果你用的是Gaussian 16，只需把上面过程中所有g09改成g16即可，其它没有任何差别。
友情提示：默认情况下，当Gaussian任务运行中途中断，在GAUSS_SCRDIR环境变量设的临时文件夹里就会残留当前运行时生成的临时文件，文件名是任务的pid号。日积月累，可能此目录下的残留的临时文件体积会巨大，把硬盘占满，导致之后的各种Gaussian任务运行一开始就失败。因此，建议定期把临时文件夹里的内容清空，但不要在有任务运行的时候清理（或者，至少清理的时候别清掉当前任务对应的临时文件。用top或ps命令可以查看pid号）。
PS 1：网上一些乌七八糟的介绍安装Gaussian的文章中还说要设定PATH、LD_LIBRARY_PATH、GAUSS_EXEDIR之类的环境变量，这是完全多余的。打开g09.profile看一眼就知道，这些环境变量在profile文件里都会自动设好，因此按照前文source一遍.profile文件就完事了，根本没有丝毫必要手动去设那些环境变量。本文介绍的绝对是步骤最少而且最正确的安装步骤。
PS 2：如果要在集群中给所有用户安装公用的Gaussian，可参考http://bbs.keinsci.com/thread-14301-1-1.html。
1.3 Gaussian在Linux下运行的命令
这里顺便提一下Gaussian在Linux下的运行方法。常见有以下几种，test.gjf是输入文件
g09 < test.gjf > test.out （信息都输出到test.out里。末尾可以再加上&令任务在后台运行）
g09 < test.gjf |tee test.out （信息输出到test.out的同时也同时输出到屏幕上）
g09 test.gjf （输出文件将默认为当前目录下的test.log）
以上面第1种或第3种方式运行时，如果你又想把输出信息在屏幕上不断同步显示了，那么可以运行tail -f test.out。
使用SSH远程登录服务器时，如果提交了Gaussian任务，则与服务器连接中断后任务也相应地中断。为了能让任务在断开连接后也能一直在服务器上继续跑完，提交任务时应当写
nohup g09 < test.gjf > test.out &
并且退出时要用exit命令先优雅地断开连接，而不要直接关终端。这样任务就会在服务器上继续跑直到完成。
从G16开始，如果在gjf里没定义%nprocs、%cpu、%mem，也可以在运行命令里方便地直接指定，比如
g16 -p=16 -m="40GB" < love.gjf > love.out
相对于定义了%nprocs=16和%mem=40GB。再比如
g16 -c="0-47" < live.gjf > live.out
相对于定义了%cpu=0-47只在第0~47号CPU核心上计算。命令行里直接指定参数的优先级高于Default.Route。
1.4 Gaussian运行的几个常见问题
(1)运行时提示files in the gaussian directory are world accessible. this must be fixed
这说明你没做chmod 750 -R *这一步。Gaussian如果发现其可执行文件对于所有用户都可以访问时就不干，这是Gaussian的一个莫名其妙、很固执的地方。
(2)运行时提示Error: illegal instruction , illegal opcode
这说明Gaussian和你的CPU不兼容，确切来说，是你的CPU太老，不支持Gaussian在开发者编译程序的时候使用的指令集。比如Gaussian 16有利用较新的AVX2指令集的版本，也有不利用AVX2指令集的版本，前者运行速度更快。如果你用的是前者，而你的CPU较老，比如是XEON v3及之前系列的服务器CPU，或者你用的是Intel的消费级的CPU而型号是3xxx及之前的，由于不支持AVX2指令集，运行就会报上面的错误。解决方法就是购买非AVX2版的Gaussian 16或者换机子。PS：什么CPU支持什么指令集，可以去看我的硬件资料库（http://sobereva.com/datasheet.rar），对于Intel的CPU也可以去查Intel ARK（https://ark.intel.com/）。
还有一种情况是你用的是较新的AMD的CPU，比如ZEN2架构的，虽然支持相应的指令集，但由于编译器与CPU架构之间的兼容问题导致以上报错。可尝试在运行Gaussian前通过这行命令定义环境变量：export PGI_FASTMATH_CPU=sandybridge。
(3)运行时该用多少CPU核心？
如果你的机子打算只跑一个Gaussian任务，那么一般建议CPU有多少物理核心就用多少核数来并行，这样通常最快。若有额外CPU核心闲着也是白白浪费。注意，对于采用了超线程(HT)技术的CPU而且管理机子的人没有把超线程关闭的话，逻辑核心数会是物理核心数的两倍。如果你搞不懂这一点，务必看《正确看待超线程(HT)技术对计算化学运算的影响》（http://sobereva.com/392）。比如，如果你的机子是双路2696v3 CPU，一共有36个物理核心，对应72个逻辑核心，而且你平时只跑一个Gaussian任务，那么Default.Route里的-P-或者输入文件里的%nprocs后面应该写36。
有一个特例是当你跑的任务特别小，比如就是10个原子左右的很小分子在很廉价的B3LYP/6-31G*下做柔性扫描，亦有可能分配诸如96核时反倒比分配16核时更慢。情况实测便知。
计算速度和使用的核数绝对不是理想的线性的正比关系。并行的核数越多，继续增加核数使速度提升的幅度就越低，对越是便宜的计算任务这点越明显。对于Gaussian 16，并行核数用到50核左右就接近速度的极限了，继续提升的余量看具体计算任务。即曰，虽然并行核数越多总耗时越低（不排除极个别例外），但并行效率越低。所以，如果CPU的核数很多，比如你用的是一个2*48=96个物理核心的双路服务器，同时用跑两个48核并行的任务远比跑一个96核的任务更能充分发挥CPU的性能。注意同时跑两个任务时建议把两个任务用%cpu分别绑定在两个不同CPU上以减少资源争抢拖慢速度，详见《淘宝上购买的双路EPYC 7R32 96核服务器的使用感受和杂谈》（http://sobereva.com/653）第6节关于跑Gaussian部分的文字。如果机子核数特别多，比如是128核服务器，有大量任务要跑，那么还可以同时跑4个乃至8个任务，CPU利用程度会更充分。注意所有Gaussian任务调用的核数的总和不要超过机子的物理核心数，且分配给各个任务的可用内存量的总和不能超过空余物理内存量。还要注意有些任务，比如后高阶的HF，不仅特别耗内存，而且读写硬盘量往往非常大，这样的任务别一次跑好几个，要不然可能内存不够直接崩溃，或者在硬盘读写上严重争抢，导致哪个任务都巨慢。
当设定的并行核数超过64时，对于Gaussian 16 B.01及之前的版本来说，Gaussian可能一上来就会报错。解决办法是在~/.bashrc里添加比如export OMP_THREAD_LIMIT=256，这样就把并行核数上限提升到256了，因此就可以使用超过64核并行了。
(4)运行时该分配多少内存？
Gaussian里同一个任务可能有不同算法，有的速度快但是耗内存高，有的算法速度慢但是耗内存少，如果你的内存给得足够大，Gaussian往往会自动选择速度最快的算法。而且对于有的算法，当可用内存较大时，计算量就会较小。因此，一般建议是有多少空余物理内存，就分配多少内存给Gaussian。何况，有些任务本身就特别耗内存，内存分配小了则Gaussian根本没法完整执行完此任务，或者程序会自动降低并行线程数来降低内存消耗，使得任务在有限的内存量下得以算完，但显然会因此导致耗时增加。如果你的机子里打算只跑一个Gaussian任务，那么把实际物理内存量中扣除一部分分配给操作系统和后台任务的，其余部分都给Gaussian即可。为稳妥起见，我建议把90%左右的物理内存分配给Gaussian。如果内存分配量超过了空余物理内存，将导致程序运行一开始就会报错，或者程序可能会试图使用虚拟内存（即把相对来说速度很慢的硬盘虚拟成内存来用）而导致计算速度被严重拖慢。如果你要跑多个Gaussian任务，那么所有任务分配的内存量的总和不应当超过空余物理内存量。
给Gaussian分配的内存量是Gaussian对内存使用量的上限，不是说分配多少就都会被占满。诸如普通泛函的DFT单点任务（假设以默认的direct SCF方式运行时），由于其算法原因，注定就占不了什么内存，所以你分配200GB可能实际也只会占用300MB。
PS：有兴趣的读者不妨看看《硬盘速度与内存容量对量子化学计算速度影响的测试》（http://sobereva.com/397），里面有一些关于内存分配量对计算速度影响的测试。
我老看到有初学者，不知道为什么，做Gaussian计算时分配的内存量超级吝啬！常看到有人比如用36核做计算，内存只分配少得可怜的10GB甚至6GB，非常莫名其妙！有36核的机子的内存总量怎么可能连64GB都没有？机子里那么多的空余内存不利用起来留着干嘛？明明把更多的内存给Gaussian不仅没害处，还往往能加快计算，干嘛偏偏就给一点点内存？到底在想什么？最最最最起码，用N核并行，也要给N GB内存，否则且不说速度，对很多耗内存略多的任务就连正常算完都做不到。
(5)如何在机子里令Gaussian 09和16并存？
比如你把g09和g16都放在了/home/sob下，为了能够令g09和g16都有可能被使用，你可以在.bashrc文件中加入比如以下内容
export g09root=/home/sob
source /home/sob/g09/bsd/g09.profile
#export g16root=/home/sob
#source /home/sob/g16/bsd/g16.profile
export GAUSS_SCRDIR=/home/sob/g09/scratch
其中#用来注释，因此凡是前头带#的行，说明此行在当前情况下不生效。因此，当前情况只能用g09而不能用g16。如果你接下来想改用g16，那么就修改.bashrc文件，把g16对应的两行前头的#挪到g09对应的两行的开头，然后保存文件，重新进入终端，此时g09就没法用了，而g16则可以使用了。
由于g09和g16在一些运行环境的配置上是共通的，没有办法同时令g09和g16命令都可以正常使用。
PS：实际上，每次运行bash命令，也会把.bashrc文件里的信息执行一遍，但在前面的叙述中，都是通过重新进入终端来使.bashrc内的信息生效，因为这样做是最保险的。这是考虑到g09或g16.profile的某些命令可能是对环境变量里的内容进行追加，而不是重设。只有重新进入终端，那么当前的环境变量和只执行过一次profile里的配置命令才是相同的，才可以严格确保g09和g16不会在运行时候出现混乱。
(6)我运行formchk命令，怎么提示找不到命令？
这说明你没有严格按照前文的方法配置Gaussian（可能你被网上的一些文章坑了）。
(7)运行一开始提示此类报错怎么回事？
Entering Gaussian System, Link 0=g09
PGFIO/stdio: No such file or directory
PGFIO-F-/OPEN/unit=11/error code returned by host stdio - 2.
File name = /sob/g09/scratch/Gau-75009.inp
这说明GAUSS_SCRDIR环境变量所指向的路径（比如当前为/sob/g09/scratch）目前不存在，应当仔细检查路径。另外，如果GAUSS_SCRDIR环境变量指向的是一个虽然存在，但是你没有可读写权限的路径，Gaussian运行时由于没法创建临时文件，显然也会运行失败。
(8)运行一开始报错galloc: could not allocate memory
说明你设Gaussian内存使用量上限过大了，超过了实际可分配的内存量。虽然如前所述，不是你给Gaussian分配多少内存Gaussian就会实际用多少（计算过程中内存实际使用量可以在top命令里看），但是Gaussian会在计算一开始就向系统请求你设的内存量，如果发现没法分配那么多就直接报错。
(9)Gaussian任务没有报错，但是却莫名其妙停了怎么办？
有以下可能原因
1 巧合。尝试重算，或者尝试其它也能达到类似目的的关键词再试。也可以尝试重启计算机
2 当前版本Gaussian的bug。尝试其它版本或其它操作系统的Gaussian
3 当前Gaussian版本和计算机的软件环境有兼容性问题。可尝试其它版本或其它操作系统的Gaussian。对于Linux尝试装其它版本或其它发行版的Linux再试，对于Windows把各种安全防护程序都关掉乃至完全卸载再试（最坏的情况也可能需要重装操作系统）
4 任务被bad people杀了。重算，如果发现的确是有人恶意杀了你的任务，找管理员告状
5 任务被作业调度系统杀了（如超过了任务执行时间上限、内存最大使用量等原因），咨询计算机的管理员
6 给Gaussian用的内存分配得不够。增大%mem或配置文件里的默认的内存设置（-M-）。也可能虽然内存分配得够，但当前计算机的空余物理内存不够导致没法成功分配那么多内存。还可能一开始空余物理内存够，但运行中途有其它程序占了过多内存导致Gaussian没法再利用足够的内存
7 计算机硬件不稳定，检修或换成其它机子
2 在Windows下安装和运行Gaussian
Windows版Gaussian的安装很简单，启动安装程序，输入序列号，然后下一步下一步即可。注意绝对别把Gaussian装到带有中文的路径下，否则以后使用过程中可能会碰到一些莫名其妙的错误。比如把程序装到了D:\study\G09W下，那么安装后应当手动建立一个文本文件D:\study\G09W\scratch\Default.Rou，这个文件就是Windows下的默认的计算资源的配置文件，里面要填的内容和Linux下的Default.Route是完全相同的。
绝大多数人用的Windows版Gaussian都是32bit版的，主要是因为Win32版售价比Win64版便宜得多（这里不是指操作系统是多少位，而是Gaussian程序自身是多少位）。32bit版Gaussian在运行时对资源限制极大，并行核数最多只能设为4（实际上还有只支持串行运行的Windows版Gaussian，售价更便宜，但很少见），而且内存最多只能分配1500MB左右。我个人建议设成1400MB，因为设成1500MB的时候仍有可能在个别情况下因为内存分配问题而运行失败。如果想不受制于核数和内存的限制，那就得改用64bit版Gaussian了。除非是计算量较小的任务，否则运行的时候都应当用64bit版。
注：目前的Linux版Gaussian一律都是64bit的，32bit版也根本不卖了，很老版本的Gaussian才有32bit Linux版。
如果你的CPU核数不是很少的话，强烈不建议用Windows版Gaussian。十几核情况下，Windows 64bit Gaussian就已经远远远远慢于Linux版Gaussian，几乎没使用价值，极大地浪费CPU计算能力。如果真是需要同时用Windows环境，正确的做法是用VMware虚拟机装Linux系统跑Linux版Gaussian，这非常简单，见《在VMware 15中安装CentOS 7.6的完整过程视频演示》（http://sobereva.com/454）。在虚拟机里跑Gaussian可以发挥CPU至少85%的实际运算能力，速度已经远远快于用Windows版了。Win10用户也可以用WSL跑。
Windows用户一般还会安装GaussView，这是Gaussian官方开发的Gaussian图形界面程序。记得一定要先安装Gaussian再安装GaussView，而且GaussView应当安装到与Gaussian相同的目录下，否则可能导致GaussView识别不到Gaussian可执行文件。此时不仅启动GaussView的时候会有警告，而且由于GaussView将没法调用Gaussian目录下的可执行程序，此时GaussView很多特性和功能将无法使用，比如无法载入chk文件、无法绘制分子轨道等值面、无法向Gaussian提交任务等。
应当注意Gaussian和GaussView的版本兼容性。根据笔者经验，Gaussian 09建议搭配GaussView 5.0.9使用，Gaussian 16建议搭配GaussView 6.0.16（目前的最新版本）使用，这样兼容性是最好的，否则会有很多问题。比如GaussView 6.0.16打开G09的IRC任务的帧号顺序是错乱的，而GaussView 5.0.9无法正确载入Gaussian 16的振动分析输出文件等。
启动Gaussian的Windows版的图形界面后，在File - Preference里会看到一些配置选项，一般不用去改。Windows版默认的Gaussian临时文件夹是其目录下的scratch目录，如果你想把临时文件目录改为其它路径，可以修改里面的Scratch Path设置。ASCII Editor设的是在Gaussian图形界面里打开输出文件时调用的文本编辑器，默认是记事本，如果你机子里有Ultraedit、notepad++等更强大的文本编辑器，建议改成这些文本编辑器的路径。
有些人在运行Windows版Gaussian时明明输入文件正确，计算任务计算量也很小，却在中途莫名其妙地卡住、出现莫名其妙的报错，这往往是因为机子里的360等垃圾山寨安全程序捣的鬼。把这些垃圾程序删掉往往就能解决。另外，笔者发现XEON v3（对于v4等其它型号可能也有）系列的一些CPU运行win32版Gaussian09/16时会失败，这应当是CPU和程序兼容性的原因，目前没有发现好办法解决（不过这不是什么大问题，一般也不会有人用几十核的服务器去跑win32版Gaussian）。
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发表于 Post on 2018-9-5 07:14:45
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发表于 Post on 2018-9-5 08:18:24
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