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/）。

nianbin

老师，请问能不能在此基础之上多出几个实例教程，让初学者跟着尝试一下，多谢

wuzhiyi

nianbin 发表于 2021-3-2 19:13
老师，请问能不能在此基础之上多出几个实例教程，让初学者跟着尝试一下，多谢

你是想要什么样的例子啊？

这里已经提供了真空小分子对应AIMD，
小分子在水里
和蛋白质在水里的激发态

感觉好像也没别情况了？

Daniel_Arndt

有一个问题想了解一下，我看到你编译gromacs时使用了“-DGMX_MPI=on”，想起来plumed编译时是有个“--enable-mpi”的。你的这个教程，需要编译plumed时指定“--enable-mpi”吗？

wuzhiyi

Daniel_Arndt 发表于 2021-3-3 08:28
有一个问题想了解一下，我看到你编译gromacs时使用了“-DGMX_MPI=on”，想起来plumed编译时是有个“--enabl ...

是的 不过只要找得到MPI版本的编译器 plumed会优先用MPI版本的编译器

k64_cc

不过CP2K应该是支持读GMX的input file来着？

这么联用不累吗

wuzhiyi

k64_cc 发表于 2021-3-3 18:26
不过CP2K应该是支持读GMX的input file来着？

这么联用不累吗

支持么？
我看gromacs的支持在to-do里啊？https://www.cp2k.org/dev:todo
而且8.1的文档里https://manual.cp2k.org/trunk/CP ... FIELD.html#PARMTYPE
没有gromacs啊

k64_cc

wuzhiyi 发表于 2021-3-3 21:46
支持么？
我看gromacs的支持在to-do里啊？https://www.cp2k.org/dev:todo
而且8.1的文档里https://manu ...

那就是支持amber？反正就转个格式的事。

azero

请教 cp2k +GMX+plumed 做QM/MM硬件配置如何， 需要较多核心的 CPU么
还是说直接参考sob老师的装机配置就可以，普通CPU+较好显卡

wuzhiyi

azero 发表于 2021-3-5 15:23
请教 cp2k +GMX+plumed 做QM/MM硬件配置如何， 需要较多核心的 CPU么
还是说直接参考sob老师的装机配置就 ...

不需要显卡，cp2k+GMX主要运算瓶颈在cp2k那里，MM部分的耗时估计0.1%都不到，按cp2k的需求配置就行。

nianbin

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" , but CMake does
  not know the compile flags to use to enable it. 应该咋整

wuzhiyi

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" , ...

你正常编译gromacs可以么？

nianbin

是可以的，我现在系统里有gmx2018.8

wuzhiyi

nianbin 发表于 2021-3-7 18:03
是可以的，我现在系统里有gmx2018.8

可以试试装最新的Gromacs 2021.1么？

nianbin

好的，多谢老师，我试试