Gromacs与cp2k联动使用plumed做QM/MM增强采样

wuzhiyi

注：本功能已经正式进入Gromacs 2022，具体内容请关注官方消息，本帖仅作为留档。


最近sob老师分享了cp2k的安装方法 http://bbs.keinsci.com/thread-21608-1-1.html 和cp2k输入文件的生成方法 http://bbs.keinsci.com/thread-21668-1-1.html 让cp2k距离被普通人可以使用又进了一步。
其实Gromacs也可以和cp2k联动联动，进行QM/MM模拟。对于自由能的计算也可以使用plumed来进行增强采样，我想分享一下自己的安装方法，让更多的人可以体会到cp2k的乐趣。
本文中的Gromacs关于cp2k的联动插件预计与2022年正式加入Gromacs，不过根据我的经验，正常使用问题不大，至少在我的测试中，Gromacs/cp2k做真空下用plumed的伞状采样得到小分子二面角的势能面和cp2k下直接用plumed做伞状采样得到的势能面是一样的，如果大家遇到问题，也欢迎在这里反馈。
本教程在来自芬兰Jyväskylä University的Dmitry Morozov的协助下完成。
Plumed安装
先安装plumed，测试了2.7.2发行版(https://github.com/plumed/plumed2/releases/tag/v2.7.2)， 理论上应该V2.7分支的都可以。
放在/Users/formidable/src/解压生成plumed2-2.7
然后直接用configure安装

1. ./configure --prefix=/usr/local/plumed/2.7.2
   
2. make -j24
   
3. make install

复制代码

用module的同学可以复制module文件方便设置环境变量

1. cp /usr/local/plumed/2.7.2/lib/plumed/modulefile ~/privatemodules/plumed/2.7.2

复制代码

cp2k安装
本教程默认你已经有openblas/lapack/openMPI，在下载完cp2k 8.1后，解压在/Users/formidable/src
进入/Users/formidable/src/cp2k-8.1/tools/toolchain
用toolchain安装依赖，可以根据自己的需求增减。

1. ./install_cp2k_toolchain.sh --with-libxsmm=install --with-elpa=install --with-libxc=install --with-libint=install --with-gsl=no --with-libvdwxc=no --with-spglib=no --with-hdf5=no --with-spfft=no --with-cosma=no  --with-libvori=no --with-sirius=no --with-scalapack=install --with-openblas=system --with-fftw=install --with-openmpi=system --with-plumed=system

复制代码

然后将生成的依赖复制到根目录进行安装

1. cp -r /Users/formidable/src/cp2k-8.1/tools/toolchain/install/arch/* /Users/formidable/src/cp2k-8.1/arch
   
2. source /Users/formidable/src/cp2k-8.1/tools/toolchain/install/setup

复制代码

这里其实都和sob老师推荐的一样http://bbs.keinsci.com/thread-21608-1-1.html，不过因为Gromacs要将cp2k作为库来调用，所以要编译cp2k库。

1. make ARCH=local VERSION="ssmp psmp" libcp2k

复制代码

Gromacs安装
最后我们进行gromacs的安装，从这里下载文件https://gitlab.com/gromacs/gromacs/-/tree/2021.2-qmmm。
解压后生产文件/Users/formidable/src/gromacs-2021.2-qmmm
首先对gromacs打上plumed补丁。plumed patch -p
然后选择2021版。

然后进行编译

1. mkdir build
   
2. cd build
   
3. cmake .. -DBUILD_SHARED_LIBS=OFF -DGMXAPI=OFF -DGMX_INSTALL_NBLIB_API=OFF -DGMX_DOUBLE=ON -DGMX_FFT_LIBRARY=fftw3 -DGMX_CP2K=ON -DCP2K_DIR="/Users/formidable/src/cp2k-8.1/lib/local/psmp" -DCP2K_LIBS="-Wl,--enable-new-dtags -pthread -L'/Users/formidable/src/cp2k-8.1/tools/toolchain/install/fftw-3.3.8/lib' -L'/Users/formidable/src/cp2k-8.1/tools/toolchain/install/libint-v2.6.0-cp2k-lmax-5/lib' -L'/Users/formidable/src/cp2k-8.1/tools/toolchain/install/libxc-4.3.4/lib' -L'/Users/formidable/src/cp2k-8.1/tools/toolchain/install/libxsmm-1.16.1/lib' -L'/Users/formidable/src/cp2k-8.1/tools/toolchain/install/scalapack-2.1.0/lib' -L'/Users/formidable/src/cp2k-8.1/tools/toolchain/install/elpa-2020.05.001/lib' -lelpa_openmp -lscalapack -lxsmmf -lxsmm -ldl -lpthread -lxcf03 -lxc -lint2 -lfftw3_mpi -lfftw3 -lfftw3_omp -lmpi -lopenblas -lstdc++" -DGMX_MPI=on -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/usr/local/gromacs/2021.2_QMMM
   
4. make -j24
   
5. make install

复制代码

这样编译出来的文件就可以使用plumed做增强采样，用cp2k做QM区域的运算了。
mdp设置
使用gmx make_ndx来定义QM区域，比如我们将一些原子归在一起命名为QMatoms（qmmm-qmgroup = QMatoms），这些原子的电荷加起来是0（qmmm-qmcharge = 0），自选多重度是1（qmmm-qmmultiplicity = 1），目前有预设的级别PBE/DZVP-MOLOPT和BLYP/DZVP-MOLOPT（qmmm-qmmethod = PBE或者qmmm-qmmethod = BLYP）。
这里提供一个mdp的例子。

; CP2K QMMM parameters

qmmm-active              = true
qmmm-qmgroup             = QMatoms
qmmm-qmmethod            = PBE
qmmm-qmcharge            = 0
qmmm-qmmultiplicity      = 1

运行grompp之后会生成对应的cp2k的inp文件，可以看看默认的设置是不是自己想要的。

当然也可以自己提供模版（cp2k.inp）。

; CP2K QMMM parameters

qmmm-active              = true
qmmm-qmgroup             = QMatoms
qmmm-qmmethod            = INPUT
qmmm-qminputfile            = cp2k.inp

教程
简单的教程可以在这里下载（https://github.com/bioexcel/gromacs_cp2k_tutorial），也可以听这个模块的作者讲解（https://bioexcel.eu/webinar-mult ... terface-2020-12-08/）。

龙井茶

/usr/bin/ld: cannot find -lcp2k: No such file or directory
/usr/bin/ld: cannot find -ldbcsr: No such file or directory
/usr/bin/ld: cannot find -lscalapack: No such file or directory
/usr/bin/ld: cannot find -lgfortran: No such file or directory
collect2: error: ld returned 1 exit status
make[2]: *** [src/programs/CMakeFiles/gmx.dir/build.make:105: bin/gmx_mpi_d] Error 1
make[1]: *** [CMakeFiles/Makefile2:5661: src/programs/CMakeFiles/gmx.dir/all] Error 2
make: *** [Makefile:166: all] Error 2
请问这样的报错原因是什么？应该如何解决？

Huschein

ldx022 发表于 2023-12-29 14:56
请问老师GPU加速不了metaD，是由metaD的原理决定的吗？

人家根本就没写GPU加速的metad，你就算用GPU也是对MD部分加速，瓶颈还在Metad

ldx022

Huschein 发表于 2023-12-29 14:35
GPU加速不了metad，建议就按CPU的去跑就行

请问老师GPU加速不了metaD，是由metaD的原理决定的吗？

Huschein

ldx022 发表于 2023-12-29 13:59
请问老师，不需要cp2k只需要plumed外加gromacs，目的是为了用gpu（cuda）跑metaD，能否直接沿用您一楼给的 ...

GPU加速不了metad，建议就按CPU的去跑就行

ldx022

请问老师，不需要cp2k只需要plumed外加gromacs，目的是为了用gpu（cuda）跑metaD，能否直接沿用您一楼给的示例来安装呢？谢谢！

Lightzfp

提问，编译成功后，看上去一切正常，但是无法用grompp生成inp文件，这是怎么回事

yjb

(base) gmx_mpi_d mdrun -s qmmm.tpr
      :-) GROMACS - gmx mdrun, 2022.3-plumed_2.8.1 (double precision) (-:

Executable:   /home/jbyin/soft/gromacs-2022.3/bin/gmx_mpi_d
Data prefix:  /home/jbyin/soft/gromacs-2022.3
Working dir:  /home/jbyin/gmx/protein/1BZI/qmmm
Command line:
  gmx_mpi_d mdrun -s qmmm.tpr


Back Off! I just backed up md.log to ./#md.log.8#
Reading file qmmm.tpr, VERSION 2022.3-plumed_2.8.1 (double precision)
Changing nstlist from 10 to 100, rlist from 1.2 to 1.2

comm-mode angular will give incorrect results when the comm group partially crosses a periodic boundary
Using 1 MPI process
Using 128 OpenMP threads


Back Off! I just backed up traj_comp.xtc to ./#traj_comp.xtc.7#

Back Off! I just backed up ener.edr to ./#ener.edr.7#
starting mdrun 'Generic title'
200000 steps,    200.0 ps.
[localhost:421217] *** Process received signal ***
[localhost:421217] Signal: Segmentation fault (11)
[localhost:421217] Signal code: Address not mapped (1)
[localhost:421217] Failing at address: 0x7f97f5f869f0
Segmentation fault (core dumped)
请问老师这个报错是怎么回事啊

vantasyoscar

nianbin 发表于 2021-3-6 02:08
老师，请问下我在编译gmx这一步分时候提示我Target "cmTC_21d74" requires the language dialect "CXX17" , ...

您好，我在cmake的时候出现了同样的错误，请问现在这个问题您解决了吗。我看网上说是gcc版本不够的原因，但是我gcc是9.3.0，不应该不够哇

yjb

@Bruce 发表于 2022-5-6 21:27
确保编译cp2k时是成功编译了cp2k库， make -j ARCH=local VERSION="ssmp psmp" libcp2k注意：编译cp2k时 ...

谢谢老师 明白了

@Bruce

yjb 发表于 2022-4-22 01:38
老师，您好，我用最新版本的gromacs22来链接cp2k8.1，cmake成功后，在make -j的过程中，报错。

[ 26%] B ...

确保编译cp2k时是成功编译了cp2k库， make -j ARCH=local VERSION="ssmp psmp" libcp2k注意：编译cp2k时，首先执行make -j ARCH=local VERSION="ssmp psmp" ，再执行 make -j ARCH=local VERSION="ssmp psmp" libcp2k，这样既有cp2k库，又有cp2k的执行程序（前面两个make过程的执行顺序不能颠倒）

yjb

老师，您好，我用最新版本的gromacs22来链接cp2k8.1，cmake成功后，在make -j的过程中，报错。

[ 26%] Building CXX object src/gromacs/CMakeFiles/libgromacs.dir/applied_forces/qmmm/qmmmforceprovider.cpp.o
/home/test/soft/gromacs-2022/src/gromacs/applied_forces/qmmm/qmmmforceprovider.cpp:56:10: fatal error: <libcp2k.h>: No such file or directory
   56 | #include "<libcp2k.h>"

请问这个问题如何解决呢

wuzhiyi

函数与激情 发表于 2022-4-7 09:31
请问下楼主，是不是目前GMX接口CP2K的QM/MM方法，CP2K能选择的泛函只有PBE和BLYP呀，以后会更新吗？

以后是会更新 不过你可以直接给template 然后就可以自定义cp2k的所有设置了

函数与激情

请问下楼主，是不是目前GMX接口CP2K的QM/MM方法，CP2K能选择的泛函只有PBE和BLYP呀，以后会更新吗？

cmd27

老师您好，我现在装了cp2k9.1, gromacs-2021.2-qmmm,  plumed-2.7.4  ,但是我最后选择gromacs版本的时候却看不到我的gromacs-2021.2版本？您有什么好的建议嘛？