量子化学程序ORCA的安装方法

sobereva

量子化学程序ORCA的安装方法

Installation method of ORCA quantum chemistry program

文/Sobereva@北京科音
First release 2018-Dec-21  Last update: 2024-Aug-21

0 前言

ORCA是一款对学术用户免费但不开源的量子化学程序，发展迅猛，流行程度越来越高，用户越来越多。虽然ORCA的安装很简单，都不需要编译源代码，但还是有不少量子化学初学者经常问怎么安装，这里就统一说一下。当随着ORCA程序更新，导致最新版安装方法与本文存在较大差异时，本文也将同步更新。目前本文对应的是ORCA 6。ORCA虽然有也有Mac版，但由于极其小众，安装方法这里就不提了。顺带一提，如果你想一次性快速上手&系统学习ORCA的使用，同时掌握各种重要的经验技巧、尽可能少踩坑，特别推荐参加笔者讲授的北京科音高级量子化学培训班（http://www.keinsci.com/KAQC），里面专门有一节对ORCA的使用及相关的各种背景知识有极其全面、详细的讲解，并给出了十分丰富的精心设计的例子，通过此培训学员将能把ORCA用得十分游刃有余，比自己啃手册学习在效果和效率上都强太多了！

ORCA官网是https://orcaforum.kofo.mpg.de，和ORCA论坛是在一起的。进去之后注册个新用户，登陆后就可以进入论坛，页面上方有Download按钮，进去就可以下载可执行程序和手册了。如果你注册ORCA论坛时验证码刷不出来，或者根本连ORCA官网都打不开的话，说明需以特殊姿势上网。

为了测试安装后ORCA是否能正常运行，这里提供个简单的测试文件，将以下内容复制到比如test.inp里即可作为输入文件。此任务要求4核并行：

! BLYP def2-SVP pal4
* xyz 0 1
C                  0.00000000    0.00000000   -0.56221066
H                  0.00000000   -0.92444767   -1.10110537
H                 -0.00000000    0.92444767   -1.10110537
O                  0.00000000    0.00000000    0.69618930
*

顺带一提，有些人用ORCA只是想算很常见类型的问题，但不会写关键词。最最简单的做法就是用Multiwfn产生ORCA的输入文件，超级容易，里面的关键词都是绝对最恰当的，见《详谈Multiwfn产生ORCA量子化学程序的输入文件的功能》（http://sobereva.com/490）。此文是一个用Multiwfn创建输入文件结合ORCA做计算的实例：《Simulating UV-Vis and ECD spectra using ORCA and Multiwfn》（http://sobereva.com/485）；此视频是一个利用Multiwfn这个功能的综合实例：《基于ORCA量子化学程序对分子做优化、振动分析、观看红外光谱、观看轨道的简单演示》（https://www.bilibili.com/video/av59599938）。


1 Windows版的安装

ORCA的Windows版只有64bit的，如果你还在坚持使用老掉牙的32bit Windows，就别指望用Windows版了，要么装64bit Windows系统，要么在现有的32bit Windows下用VMware虚拟机装个64bit Linux跑ORCA Linux版。

ORCA是基于MPI方式进行并行运算的程序，目前的版本在Windows下是依赖于Microsoft MPI (MSMPI)库运行的，因此还要给系统安装MSMPI。ORCA 6可以搭配MSMPI 10.0运行。Google一下MSMPI 10.0就可以立刻找到MSMPI的下载地址，下载并安装之即可。

去ORCA论坛下载“ORCA [版本号], Windows, 64bit, Installer”页面里的压缩包，将之解压后，运行Orca[版本号].Win64.exe，就会启动安装程序，选择以Complete方式安装，对于ORCA 6.0.0装好后会占用13多GB硬盘。

下面测试ORCA能否正常并行运行。将本文开头给的测试文件拷到某处，然后进入Windows的cmd（命令提示符）界面，假设ORCA装到了D:\study\ORCA_6.0.0目录，就输入D:\study\ORCA_6.0.0\orca H2CO.inp > H2CO.out来执行H2CO.inp并将输出信息输出到H2CO.out。注意输入文件要求并行计算时，必须像这样输入ORCA的绝对路径才行。如果计算中途的输出信息看起来很正常，最后也显示****ORCA TERMINATED NORMALLY****，就说明没问题。如果并行不正常的话，可能会看到输出信息是混乱交错的，这是由于各个进程没有真正协同工作所致。

ORCA有一部分后HF和多参考计算功能是只有autoCI模块才能做的，比如FIC-MRCI、CCSDT等。如果你需要用这些方法，在按照前面的方法安装的基础之上，还需要进入官方论坛下载页面中的“ORCA [版本号], Windows, 64bit, autoci / parallel part”页面，把里面的压缩包下载下来并解压到ORCA的安装目录下。你会看到这个压缩包里包含的可执行文件开头都带着autoci_字样。把autoCI模块也装上的话，ORCA 6的目录最后会达到30多GB！

附：在Windows下使用ORCA的最便捷方法
利用cmder可以令ORCA在Windows下的使用明显更方便，cmder是一个第三方的文本终端。首先去https://cmder.app下载Full版的cmder，然后解压到你平时安装应用程序的目录。之后进入操作系统的命令行窗口，在cmder的目录下，输入Cmder.exe /REGISTER ALL。从此在任意目录下点右键选cmder Here即可进入cmder命令行窗口，并且当前路径就是此文件夹。启动cmder窗口后，在cmder的标题位置点右键选Settings，在General页面里选择{bash::bash as Admin}，然后把cmder关了。从此之后，新开的cmder终端里的命令写法就和Linux的Bash环境下一样了，连awk、vi等常用工具都有。用文本编辑器打开cmder安装目录下的config\user_profile.sh，添加一行比如alias oo='D:/study/orca600/orca'，这里oo是你启动ORCA想用的自定义命令，后面是ORCA可执行文件路径。这样，进入cmder后就可以使用比如oo Roselia.inp |tee RAS.out来调用ORCA运行.inp文件，输出的信息不仅显示在屏幕上还同时输出到RAS.out里，比起在Windows的cmd或者PowerShell里运行ORCA方便省事得多。


2 Linux版的安装

下面的内容涉及到一些最基本的Linux常识性知识，如果你对Linux是零基础，看下面内容之前建议看看《Gaussian的安装方法及运行时的相关问题》（http://sobereva.com/439）的1.1节。

2.1 安装OpenMPI

ORCA在Linux下是通过OpenMPI这种MPI库实现并行的，并行方式运行ORCA之前需要先编译OpenMPI库。ORCA文件包的文件名当中直接体现了要求的OpenMPI库版本，比如文件名里有openmpi416就代表需要OpenMPI 4.1.6。不代表其它版本OpenMPI就一定不兼容。比如ORCA 6.0.0标配OpenMPI 4.1.6，但我实测结合4.1.1也完全可以用。所有版本的OpenMPI源代码都包可以在https://www.open-mpi.org上下载，比如4.1.6的下载地址为https://download.open-mpi.org/re ... enmpi-4.1.6.tar.bz2。

先检查机子有没有装gcc和gfortran编译器，没有的话必须先装上。比如对于CentOS或Rocky Linux，分别运行yum install gcc、yum install gcc-gfortran就能安装。特别要注意，如果只装了gcc而没装gfortran，虽然OpenMPI能正常编译完成，但是此时会由于没有Fortran的接口而导致之后ORCA没法正常并行运行。

用诸如tar -xf openmpi-4.1.6.tar.bz2命令解压OpenMPI压缩包，进入此目录，输入以下命令，OpenMPI就会被安装到/sob/openmpi416目录下
./configure --prefix=/sob/openmpi416 --disable-builtin-atomics
make all install -j
注：这里用-j是为了通过并行编译降低编译过程耗时。但如果编译中途出现诡异报错，去掉-j再试。

如果你的操作系统的shell是Bash（如CentOS、Rocky Linux就是），就编辑用户目录下的.bashrc文件，比如运行vi ~/.bashrc命令，将诸如以下两行加入到文件末尾，之后保存
export PATH=$PATH:/sob/openmpi416/bin
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/sob/openmpi416/lib
然后重新打开终端，以上设置就生效了。可以运行mpiexec -V命令，如果正常显示出了OpenMPI的版本，就说明已经装好了。之前解压出来的openmpi-4.1.6目录现在也可以删掉了。

2.2 安装ORCA

下载比如orca_6_0_0_linux_x86-64_avx2_shared_openmpi416.tar。然后用
tar -xf orca_6_0_0_linux_x86-64_avx2_shared_openmpi416.tar
命令即可解压之。文件名里的avx2代表CPU必须支持AVX2指令集才可以用，否则应当下载不带avx2字样的ORCA包。目前主流的CPU都支持AVX2，如果你的CPU较老，可以通过我整理的硬件资料库（http://sobereva.com/datasheet.rar）的查询支持的指令集。

假设ORCA解压后的目录是/sob/orca600/，就在.bashrc文件里加入以下内容并保存
export PATH=$PATH:/sob/orca600
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/sob/orca600

重新进入终端令以上语句生效后即可运行ORCA。并行运行时必须写明ORCA的绝对路径，如：
/sob/orca600/orca test.inp > test.out
如果懒得每次都写绝对路径，可以在.bashrc里加上下面这句
alias orca='/sob/orca600/orca'
这代表令orca命令等价于/sob/orca600/orca。

2.3 其它

有些系统如CentOS自带了名为orca的带有图形界面的没什么用的屏幕阅读器程序，直接输入orca命令启动的是那个程序，和本文的ORCA毫无联系。应当用rpm -e orca命令将自带的那个orca卸载掉。

如果你是在root用户下使用ORCA，由于OpenMPI的一个恶心的要求，必须每次执行的命令都带着-allow-run-as-root选项才行，这很烦人。可以在.bashrc里加入以下两行来避免，这在《root用户在用openmpi并行计算时避免加--allow-run-as-root的方法》（http://sobereva.com/409）里也说过：
export OMPI_ALLOW_RUN_AS_ROOT=1
export OMPI_ALLOW_RUN_AS_ROOT_CONFIRM=1

如果你的机子里之前装有其它MPI库或OpenMPI的其它版本，且在终端里输入which mpiexec命令的时候指向的是那些库的目录，则ORCA有极大可能会无法正常并行，需要你恰当处理以避免其优先级盖过你自己新装的OpenMPI。具体怎么处理，关键取决于你当前机子里之前具体是怎么装的MPI库。如果你之前是把其它MPI库装到了你自定义的目录下而非默认的/usr/local/bin下面，你就把那个MPI库的目录名随便改一下，或者把那个MPI库在.bashrc里的配置语句注释掉（前面加#号）然后重新登录终端。如果其它MPI被你安装到了默认路径（如/usr/local下），可以把前文的$PATH:/sob/openmpi416/bin改为/sob/openmpi416/bin:$PATH、把$LD_LIBRARY_PATH:/sob/openmpi416/lib改为/sob/openmpi416/lib:$LD_LIBRARY_PATH，然后重新登录终端，之所以这样做会奏效是因为此时openmpi416的路径会先于其它路径出现在这俩环境变量里，会被优先利用。

如果想用非常强大的波函数分析程序Multiwfn（http://sobereva.com/multiwfn）对ORCA的计算结果进行波函数分析和观看轨道图形，运行orca_2mkl xxx -molden，就把ORCA计算时产生的xxx.gbw转化成了xxx.molden.input，此文件可以直接作为Multiwfn的输入文件。orca_2mkl是ORCA目录下自带的意义上类似于Gaussian的formchk的工具。如果把Multiwfn目录里的settings.ini里的orca_2mklpath参数设为当前机子里orca_2mkl可执行文件的实际路径，则Multiwfn还可以直接载入gbw文件，更方便了。

Multiwfn还可以基于ORCA的输出文件绘制光谱图，见《使用Multiwfn绘制红外、拉曼、UV-Vis、ECD、VCD和ROA光谱图》（http://sobereva.com/224）。但注意，如果在Windows下运行ORCA，不要用PowerShell，要么用cmd要么用cmder。因为PowerShell里通过重定向产生的ORCA输出文件默认是Unicode编码的，Multiwfn没法读取里面的信息（注：此情况在Powershell 7做了改变，见http://bbs.keinsci.com/thread-52770-1-1.html）。《OfakeG：使GaussView能够可视化ORCA输出文件的工具》（http://sobereva.com/498）介绍的OfakeG程序也同样不认Unicode编码。用cmder的方法前面已经说了，在Win 10/11里如果想方便快速地进入cmd，只需运行一个注册表配置文件即可，见http://bbs.keinsci.com/thread-22940-1-1.html。

sobereva

zouguo 发表于 2025-5-15 18:59
Sob老师，打死也进不去orca官网，换了几个浏览器了。
说明需以特殊姿势上网，怎么个姿势？是行话么？

用能上google的姿势

牧生

zouguo 发表于 2025-5-15 18:59
Sob老师，打死也进不去orca官网，换了几个浏览器了。
说明需以特殊姿势上网，怎么个姿势？是行话么？

想办法搞一个能上外网的环境

zouguo

Sob老师，打死也进不去orca官网，换了几个浏览器了。
说明需以特殊姿势上网，怎么个姿势？是行话么？

xuesong

wzkchem5 发表于 2024-9-29 22:24
检查GCC版本是不是太低。如果还不能解决，在网上搜报错信息，openmpi因为计算机领域都会用，网上容易搜到 ...

好的 谢谢

wzkchem5

xuesong 发表于 2024-9-29 14:53
你好 请问在openmpi的安装过程中 遇到这个问题如何解决呢
*** Atomics
checking for 32-bit GCC built-i ...

检查GCC版本是不是太低。如果还不能解决，在网上搜报错信息，openmpi因为计算机领域都会用，网上容易搜到解决方案

xuesong

你好 请问在openmpi的安装过程中 遇到这个问题如何解决呢
*** Atomics
checking for 32-bit GCC built-in atomics... yes
checking for 64-bit GCC built-in atomics... yes
checking if 64-bit GCC built-in atomics are lock-free... yes
configure: WARNING: Neither C11 nor the built-in atomics are available,
configure: WARNING: either because they were disabled on the configure
configure: WARNING: command line or they were not found. PRRTE requires
configure: WARNING: atomic support, so either a compiler with C11 atomics
configure: WARNING: must be used OR the built-in atomics must not be disabled.
configure: error: Cannot continue
configure: ===== done with 3rd-party/prrte configure =====
configure: error: PRRTE configuration failed.  Cannot continue.

pikachuupup

zjxitcc 发表于 2024-9-8 16:45
假设平时使用VASP居多，那就把Intel MPI做为默认MPI，例如环境变量写进~/.bashrc文件，然后平时提交ORCA任 ...

学习到了，谢谢老师~

zjxitcc

假设平时使用VASP居多，那就把Intel MPI做为默认MPI，例如环境变量写进~/.bashrc文件，然后平时提交ORCA任务时不直接提交，而是采用Shell脚本提交，脚本submit_orca.sh内容举例

# openmpi
export PATH=$HOME/software/openmpi-4.1.1/bin:$PATH
export LD_LIBRARY_PATH=$HOME/software/openmpi-4.1.1/lib:$LD_LIBRARY_PATH
export CPATH=$HOME/software/openmpi-4.1.1/include:$CPATH
# ORCA
export PATH=$HOME/software/orca_5_0_4:$PATH
export LD_LIBRARY_PATH=$HOME/software/orca_5_0_4:$LD_LIBRARY_PATH
alias orca='$HOME/software/orca_5_0_4/orca'
# run ORCA
orca h2o.inp >h2o.out 2>&1

增加可执行权限
chmod +x submit_orca.sh

每次提交ORCA任务
./submit_orca.sh &
如果两个程序的使用频率相反，可以举一反三。

pikachuupup

请问各位老师，服务器上本身有vasp，并行用的是intel mpi，我现在安装orca想使用openmpi并行，但是把openmpi定为优先路径后vasp的计算会报错，只能需要用vasp的时候再去把openmpi的路径在bashrc里注释掉，有没有什么好的办法能让vasp和orca一起用呢？

sobereva

对本文进行了更新，已对应了ORCA 6的情况

zyy1997

zjxitcc 发表于 2024-6-13 17:36
如果你是使用脚本提交到集群队列，这个报错说明你的脚本中指定的进程数不对。这里举一个slurm脚本示例（O ...

确实是脚本的问题。之前我设置核心数一直都是使用
#SBATCH --cpus-per-task=40
现在改成
#SBATCH -n 40 就可以了。

zjxitcc

zyy1997 发表于 2024-6-13 17:31
老师您好，我将核数设置成2，每核1G，结果还是相同的报错。下面是输出文件后面几十行，以及作业提交系统 ...

如果你是使用脚本提交到集群队列，这个报错说明你的脚本中指定的进程数不对。这里举一个slurm脚本示例（ORCA用2核并行）
#SBATCH -N 1
#SBATCH -n 2
#SBATCH -c 1
注意，该内容不具备普适性。集群队列有很多种，上述示例仅适用于SLURM队列。注意，ORCA输入文件、提交脚本中都要恰当地指定并行核数。

zyy1997

zjxitcc 发表于 2024-6-13 17:03
你写了40核，每核1GB内存，检查一下自己机器上是否真的有这么多资源可用。另外，要尝试并行是否能跑，计 ...

老师您好，我将核数设置成2，每核1G，结果还是相同的报错。下面是输出文件后面几十行，以及作业提交系统输出。

h2o.out:
------------------------------------------------------------------------------
                        ORCA OPTIMIZATION COORDINATE SETUP
------------------------------------------------------------------------------

The optimization will be done in new redundant internal coordinates
Making redundant internal coordinates   ...  (new redundants) done
Evaluating the initial hessian          ...  (Almloef) done
Evaluating the coordinates              ...  done
Calculating the B-matrix                .... done
Calculating the G-matrix                .... done
Diagonalizing the G-matrix              .... done
The first mode is                       ....    0
The number of degrees of freedom        ....    3

    -----------------------------------------------------------------
                    Redundant Internal Coordinates


    -----------------------------------------------------------------
         Definition                    Initial Value    Approx d2E/dq
    -----------------------------------------------------------------
      1. B(H   1,O   0)                  0.9600         0.519956
      2. B(H   2,O   0)                  0.9600         0.519956
      3. A(H   1,O   0,H   2)          109.5000         0.321834
    -----------------------------------------------------------------

Number of atoms                         .... 3
Number of degrees of freedom            .... 3

         *************************************************************
         *                GEOMETRY OPTIMIZATION CYCLE   1            *
         *************************************************************
---------------------------------
CARTESIAN COORDINATES (ANGSTROEM)
---------------------------------
  O      0.000000    0.000000    0.000000
  H      0.960000    0.000000    0.000000
  H     -0.320455    0.904936    0.000000

----------------------------
CARTESIAN COORDINATES (A.U.)
----------------------------
  NO LB      ZA    FRAG     MASS         X           Y           Z
   0 O     8.0000    0    15.999    0.000000    0.000000    0.000000
   1 H     1.0000    0     1.008    1.814137    0.000000    0.000000
   2 H     1.0000    0     1.008   -0.605571    1.710081    0.000000


ORCA finished by error termination in GTOInt
Calling Command: mpirun -np 2  /opt/orca/5.0.3/openmpi/4.1.1/orca_gtoint_mpi h2o.int.tmp h2o
[file orca_tools/qcmsg.cpp, line 465]:
  .... aborting the run



提交系统输出：
--------------------------------------------------------------------------
There are not enough slots available in the system to satisfy the 2
slots that were requested by the application:

  /opt/orca/5.0.3/openmpi/4.1.1/orca_gtoint_mpi

Either request fewer slots for your application, or make more slots
available for use.

A "slot" is the Open MPI term for an allocatable unit where we can
launch a process.  The number of slots available are defined by the
environment in which Open MPI processes are run:

  1. Hostfile, via "slots=N" clauses (N defaults to number of
     processor cores if not provided)
  2. The --host command line parameter, via a ":N" suffix on the
     hostname (N defaults to 1 if not provided)
  3. Resource manager (e.g., SLURM, PBS/Torque, LSF, etc.)
  4. If none of a hostfile, the --host command line parameter, or an
     RM is present, Open MPI defaults to the number of processor cores

In all the above cases, if you want Open MPI to default to the number
of hardware threads instead of the number of processor cores, use the
--use-hwthread-cpus option.

Alternatively, you can use the --oversubscribe option to ignore the
number of available slots when deciding the number of processes to
launch.
--------------------------------------------------------------------------
[file orca_tools/qcmsg.cpp, line 465]:
  .... aborting the run

zjxitcc

zyy1997 发表于 2024-6-13 16:25
如图所示，mpi的版本是4.1.1，which ORCA也可以which到，可以我想进行多核计算就是报错。按照sob说的更改环 ...

你写了40核，每核1GB内存，检查一下自己机器上是否真的有这么多资源可用。另外，要尝试并行是否能跑，计算一个水分子用2~4核就够了。

wzkchem5

zyy1997 发表于 2024-6-13 09:25
如图所示，mpi的版本是4.1.1，which ORCA也可以which到，可以我想进行多核计算就是报错。按照sob说的更改环 ...

光给这几行输出文件不能唯一确定报错原因，还需要给出前面几十行