量化从头计算程序包COLUMBUS(5.7版)

Columbus当前包括的主要功能：

RHF和ROHF SCF代码
态平均MCSCF
标准MR-CISD，包括大小一致性的修正方法MR-CISD+Q,MR-AQCC,MR-AQCC/LRT及相关方法
在MCSCF,MR-CISD和MR-AQCC理论级别上进行几何分析和鞍点优化
从 解析梯度进行数值哈密顿频率与力常数计算
MCSCF,MR-CISD和MR-AQCC/LRT理论级别上的跃迁密度和跃迁矩

有关5.51版的主要变化：

Spin-Orbit CI(SO-CI)代码现在是标准Columbus程序包的一部分。SO-CI计算受使用AO积分程序Argos与标准CI程序结合的限制。仅支持单点SO-CI计算。
使用分析梯度自动进行鞍点优化。
力常数和频率计算。
激发态的AQCC和AQCC/LRT。
MCSCF,MR-CISD和MR-AQCC/LRT理论级别的跃迁矩。
用自由使用的Molden软件包界面，支持结果的可视化。
安装过程相当简化，特别是关于必须的CPAN包和数学库。
扩展的交互式输入支持。

COLUMBUS的安装

基本要求
    需要Perl(版本5.005_03或更高)管理计算。菜单控制的用户输入设备依靠perl的curses extensions(1.05版以上)和perlmenu extensions(4.0版以上)。所有提到的perl模块可以自由地从任何提供CPAN的FTP服务器上获得(可以查阅http://www.perl.com/CPAN/src)。此外，程序需要lapack和blas数学库，而并行CI程序必须依靠global array工具箱(2.4版)。最后，安装过程依靠一些GNU应用程序，特别是GNU make和GNU zip/unzip。
在目录里面提供了所有必须的工具（见后）。
    开始安装的步骤：
(i) 得到源代码；
(ii)任选gnu工具的安装；
(iii)任选perl 5.005_03的安装；
(iv)安装COLUMBUS代码；
(v)任意运行测试程序。

I. 得到源代码
    安装支持的机型浅显易懂。全部COLUMBUS程序包由几个压缩文件组成：

    再加上安装脚本install.automatic和包含升级信息与技术问题的README.1st文件。standard.5.7.tar.gz文件包含了基本程序和主要的COLUMBUS库colib。standard程序必须首先安装。剩下的tar文件包括对standard包的加强，可以另外安装。

II. 安装GNU工具
    系统需要安装GNU make和GNU zip/unzip。用下面的命令检查他们是否可用：

make -v                       显示GNU header
which gunzip                  显示gunzip全部路径

    如果以上命令都不可用，需要安装这一工具：

compress -d tools.GNU.tar.Z
tar -xvf tools.GNU.tar
./install.gnutools

文件就复制到当前目录中。

III. 安装Perl
    通常不需要安装perl，因为它是系统的一部分。但是要检查它的版本号(至少是5.005_03)：

which perl                     显示perl的全部路径
perl -v                        显示版本信息

    接下来就是安装perl：

• 解压缩tools.cpan.tar.Z文件
• 进入解压缩后的TOOLS/CPAN/目录
• gunzip perl5.005_03.tar.gz
• tar -xvf perl5.005_03.tar
• cd perl5.005_03
• sh ./Configure
  （你将会被问到几个问题——通常用默认设置；为了避免需要超级用户授权，选择本地安装）
• make (GNU make，见上)
• make test
• make install

问题解答：
    安装是非常友好的，然而，如果你系统中的路径设置有问题，例如部分库和include文件不在search路径里，安装就不会成功。由出错信息你可以很容易地知道哪个文件没有找到。寻找正确的目录并重新运行sh ./config提供正确的目录。最坏的假设是你必须修改makefile文件。参看perl包中的文件。

IV. 安装Columbus
    对于支持的机型直接安装：

install.automatic [-nox] [-p machine_id] packages [runtests]
(括号内表示可选内容)

    其中的packages任何组合：

• standard：安装标准包
• grad：安装梯度包
• direct：安装AO direct包
• parallel：安装并行CI包
• cpan：输入工具的CPAN支持包
• runtests：对指定的包强制执行测试

    一旦你需要修正源代码或者makefiles文件（见下），需要使用-nox选项禁止从tar文件解压缩源代码，因此可以预防覆盖所有的修改。
    -p选项强制在编译之前展开包里全部源代码，如果是第一次安装，必须调用。machine_id描述下面列出的所支持的机型：

*用 g77 -v查询在linux系统中的版本

    g77不太稳定，推荐使用linuxegcs。

安装：

Shell：/bin/csh
./install.automatic -p machine_id [standard grad direct parallel runtests]

或者

./install.automatic -nox [-p machine_id standard grad direct parallel runtests]

-nox: 不从tar文件中展开源代码。如果你已经展开了所有的文件并使用了修改的源代码，这一选项非常有用。
-p machine_id: 对计算机的machine_id输入源代码。如果-nox选项没有调用，这一项是必须的，否则随意。例：
1) 安装整个系统
./install.automatic -p linuxegcs standard grad parallel cpan direct
2) 安装成功后测试整个系统
./install.automatic -nox standard grad parallel cpan direct runtests
3) 仅安装standard及相应的测试
./install.automatic -p linuxegcs standard runtests
4) 使用了standard包中一些修改的源代码，并重新编译必要的部分
./install.automatic -nox standard
    当自动进行安装的时候，将显示选择的项。各个程序包可以一个接一个地安装。当重新进行完全安装的时候，必须从install.config中删除所有多余的项，或者把它完全删除（见下）。
    安装过程自动维护配置文件install.config，里面包括大量的关键字和控制程序特性的设置。这使得完全安装可以一步步进行，不需要多余的输入和编辑步骤。每一行包括一个关键字，后面接一个空格和关键字的值。关键字和表示的意思为：

• machineid   包括用-p参量定义的机名。如果-p参量与计算机不匹配，程序退出。
• BLASLIBRARY   包括名称为BLAS的函数库，即可以使用绝对路径(如/usr/lib/libblas.a)也可以自由选择，让编译器在默认的库路径下寻找函数库(例如-lblas)。如果关键字缺省，程序会展开tools.lapack.tar.gz文件中所有文件，并寻找系统的blas库。如果没有找到，BLAS库由源代码构造，复制到Columbus.5.7目录下，并在install.config中添加相应的条目。
• LAPACKLIBRARY   包括名称为LAPACK的函数库，即可以使用绝对路径(如/usr/lib/liblapack.a)也可以自由选择，让编译器在默认的库路径下寻找函数库(例如-llapack)。如果关键字缺省，程序会展开tools.lapack.tar.gz文件中所有文件，并寻找系统的lapack库。如果没有找到，LAPACK库由源代码构造，复制到Columbus.5.7目录下，并在install.config中添加相应的条目。需要注意的是，如果是从最初建立包括正确的LAPACKLIBRARY和BLASLIBRARY条目的install.config文件开始，你可以实时保存。最好使用系统的函数库。接下来不需要进行进一步的检查。
• GMAKE   包括GNU make程序的绝对路径。特别注意的是系统中出现的几个make程序，主要依靠shell中使用的setup文件。没有这个关键字，程序会确定是否可用的make是GNU make。如果以前安装了GNU make，最好在install.config中写进路径。
• CPPL   包括了cpp与处理程序的绝对路径以及必须选择的任选项。如果在install.config文件中没有发现，程序会在默认的路径/usr/lib和/usr/bin子目录中寻找cpp，并添加一些与机型有关的选项。由于cpp的位置总是出现问题，你需要提供可以任选的参量。还要注意，在有些系统中，需要用C编译器和适当的选项代替cpp(例如CPPL xlc -C -E -P)。
• TAR   包括tar程序的绝对路径。注意，有些版本的tar在展开长路径和文件名时有问题。必要的话编译tools.GNU.tar文件中的GNU版tar。如果没有发现TAR条目，script可以自动查找。
• GUNZIP   包括GNU unzip解压缩程序的绝对路径。如果系统中没有GNU unzip (gunzip)，可以考虑编译tools.GNU.tar文件中的版本。
• COLUMBUSVERSION   显示Columbus发布的版本——当前是5.7版。
• RANLIB   ranlib程序的绝对路径或者不需要ranlib返回的字符串。
• standard   表示成功安装了standard包。
• parallel   表示成功安装了parallel包。
• direct   表示成功安装了direct包。
• grad   表示成功安装了grad包。
• cpan   表示成功安装了cpan包。

注意：install.automatic往configuration文件中输入了默认的关键字，提供自动测得的值。

    Install.automatic展开档案，调用其他的有关安装的脚本。
    下面的表包括了可以自动安装的列表：

* 对一些版本比较老的编译器，编译器的bug会中断Dalton代码；必须进行测试！

global arrays工具箱
    为使global array工具箱成功安装，必须考虑global array中设置的与编译到操作系统内核中的共享内存，和物理内存之间的常见的兼容性问题。global array的共享内存设置位于$COLUMBUS/parallel.5.5/source/g/global/shmem.c，SHMMAX定义了共享内存以kB为单位的最大尺寸，MAX_REGIONS定义了支持的共享内存的最大数量。因此，可以使用总量为SHMMAX*MAX_REGIONS kB的共享内存。另一方面，例如在Linux或DEC OSF中，定义了SHMMAX(共享内存最大尺寸)，SHMMIN(共享内存最小尺寸)，SHMMNI(一个处理过程中的共享内存最大数量)和SHMSEG(整个体系共享内存最大数量)。下面是它们之间的关系：SHMMAX 3 _SHMMAX，SHMMNI = SHMSEG 3 MAX_REGIONS。相反的设置会引起程序停止，因为不能连接到共享内存上。
    Global Array默认设置(版本2.4)。不要使用与COLUMBUS程序中不同的版本。

问题解答

• 如果安装失败，检查(i) 缺少的tar文件(ii) 写在log文件中的信息(iii) install.config中的正确设置。问题可能由路径冲突和shell startup脚本中alias命令引起。
• 环境变量COLUMBUS，BLASLIBRARY，LAPACKLIBRARY，RANLIB和CPPL由installation脚本设置，并传到make。因此，不正确的设置是致命的。在安装之前不要设置任何环境变量。
• 环境变量GMAKE在安装脚本中使用，用于访问相应的make程序并传递到make。不正确的设置是致命的。在安装之前不要设置GMAKE环境变量。
• 内部变量(如在install.config中没有发现的变量)PARALLEL和TURBOCOL由$COLUMBUS/colinstall.sh设置。在安装之前不要设置这些环境变量。
• 在没有设置前面提到的所有环境变量之前，不能使用make -f $COLUMBUS/makefile program.x单独编译程序，如果要重新编译程序包中修改的部分，使用./install.automatic -nox package代替。
• 内部的makefiles由makefile.m4sed预报器产生。因此除了用它的预报器修改，不要随意修改makefiles。
• 按照下面的数据层次进行安装：
  install.automatic -- colinstall.sh -- install.dalton
                                     -- install.parallel
                                     -- install.turbocol
                                     -- install.cpan
                                     -- install.lapack
  colinstall.sh         依赖于$COLUMBUS/makefile.m4sed
  install.parallel      依赖于$COLUMBUS/parallel.5.7/makefile.m4sed
  install.direct        依赖于$COLUMBUS/turbocol.5.7/makefile.m4sed
• 在linux上，安装Curses扩展工具包需要安装ncurses developer rpm包(与ncurses是分开的)。

V. 进行测试

    脚本install.automatic也提供了对具体的程序包运行所有测试：

install.automatic package_name runtests

    其中package_name可以使standard，grad，direct或parallel中的任何一个。输出文件位于$COLUMBUS/TESTS子目录，日志文件是tests.log.package。也可以直接执行runtests脚本。C-shell脚本runtests执行EXAMPLES各个子目录中的一个测试计算，并检查正确结果。用下面的命令行参数，可以把测试限定为几类：

$COLUMBUS/runtests -c arguments

    其中的标记-c表示名称列表，终端"$end"用"/"代替(与编译器的选项有关，运行AIX的机器终端不能使用"$end")，arguments代表下面关键字的任意组合：

• ARGOS         (确认Argos积分文件)
• DALTON        (确认Dalton积分文件)
• CIDRTMS       (确认多重态DRT)
• TRAN          (确认MO积分文件)
• TRAN_D        (确认AO直接转换程序)
• COLIB         (检查矩阵—矩阵和矩阵—向量乘法程序)
• SINGLEPOINT   (运行一组单点计算)
• GEOMOPT       (运行一组几何优化计算)
• DIRECT        (用直接AO模式运行一组单点计算)
• SCIUDG        (使用sciudg程序运行一组计算)
• PCIUDG        (使用parallel ci程序运行一组计算，与parallel对照)
• SPINORBIT     (用自旋—轨道CI方法运行一组计算)
• FREQ          (运行一组频率计算)
• RGF           (使用rgf程序，运行一组几何优化计算)
• ALLTESTS      (运行所有列出的计算)

    执行没有参量的runtests，显示用到的选项。运行测试要建立一个子目录，进入子目录，调用

$COLUMBUS/runtests arguments > testdiff

    testdiff包含参考输出文件和测试计算的输出文件之间的差异。runtest脚本建立同EXAMPLES目录一样的目录结构。在检查testdiff文件的时候，应当考虑小的数字偏差导致的不同机器精度。如果出现大的偏差，要确定问题出现在哪里：

• 进入各自的子目录(如single-point-calculations/h2o-srci)
• 从比较概述文件"logfile"和"logfile.reference"开始，定位在程序操作中第一次发生偏差的地方，并且，
• 用$COLUMBUS/*/EXAMPLES/*/LISTING子目录中各参考输出文件，比较LISTING子目录的内容。

实例目录

验证
目录：$COLUMBUS/EXAMPLES/

单点计算
目录：$COLUMBUS/EXAMPLES/single-point-calculations，含有子目录

使用并更改shell脚本$COLUMBUS/runtests用于复制各个测试计算。

自旋—轨道CI计算
目录：$COLUMBUS/EXAMPLES/spin-orbit-CI子目录

使用并更改shell脚本$COLUMBUS/runtests用于复制各个测试计算。

几何优化
目录：$COLUMBUS/EXAMPLES/geometry-optimizations子目录

目录：$COLUMBUS/EXAMPLES/harmonic_freq子目录

目录：$COLUMBUS/EXAMPLES/saddle_point_search子目录

使用并更改shell脚本$COLUMBUS/runtests用于复制各个测试计算。

AO-direct模式的单点计算
目录：$COLUMBUS/turbocol.5.7/EXAMPLES子目录

使用并更改shell脚本$COLUMBUS/runtests用于复制各个测试计算。

使用pciudg和sciudg进行单点计算
目录：$COLUMBUS/parallel.5.7/EXAMPLES子目录

复制测试计算必须手动分别拷贝文件。或者使用$COLUMBUS/runtests。参考shell脚本。

VI. 运行COLUMBUS
    $COLUMBUS/colinp是交互式输入工具，用于定义波函和计算类型，并对各输入模块书写各种输入文件。colinp特别要求两个脚本makmc.perl和cidrtms.perl，与MCSCF和CI波函的精确度有关。
    $COLUMBUS/runc是组织整个计算的脚本。它依赖于由colinp产生的输入文件的全部设置，由control.rundetermines(可以用colinp写)确定计算的类型。

问题解答：

1. $COLUMBUS/colinp不运行：检查第一行是否正确，如#!/usr/bin/perl。
2. perl没有Curses或perlmenu：
   ● 检查是否忘记了安装cpan包。
   ● 检查是否设置了正确的环境变量COLUMBUS。设置方法为：

      /bin/csh
      setenv COLUMBUS path （path是colinp文件绝对路径）

      或者：

      /bin/ksh
      COLUMBUS=path （path是colinp文件绝对路径）
      export COLUMBUS

      以后每次开机，都要设置colinp的路径，为避免这种情况，可以把上面任意一种设置方法加入到系统的profile文件中。以后可以随时调用colinp。
   ● 检查行

      use lib join('/',$ENV{"COLUMBUS"},"CPAN");

      是否在文件colinp，cidrtms.perl和makmc.perl开头出现。

   ● 检查第一行是否指向perl binary，如

      #!/usr/bin/perl

3. 选择CI波函精度但是不能输入，菜单显示：$COLUMBUS/cidrtms.perl might have stopped immediately。执行$COLUMBUS/cidrtms.perl看出错信息。
4. 选择MCSCF波函精度但是不能输入，菜单显示：$COLUMBUS/makmc.perl might have died immediately。执行$COLUMBUS/makmc.perl看出错信息。

2001年二月十日