Comment utiliser l'image Apptainer DFTB+

Pour plus d’informations sur les conteneurs Apptainer et leur utilisation, nous mettons à votre disposition une description d’Apptainer, un guide rapide sur comment utiliser Apptainer, sans oublier bien sûr la documentation officielle d’Apptainer.

Fichiers d’entrée

Pour illustrer les différentes commandes, un ensemble de fichiers d’entrée pour DFTB+ est disponible sous forme d’archive via ce lien.

Ces fichiers correspondent à un exemple de tutoriel tiré de la documentation officielle de DFTB+, qui explique comment préparer une géométrie de départ pour une simulation de dynamique moléculaire. Dans ce tutoriel, nous partirons du principe que les fichiers d’entrée contenus dans cette archive se trouvent dans le répertoire courant. Pour les extraire :

tar -xzf dftbplus-tutorial-inputs.tar.gz

L’archive contient les fichiers et répertoires suivants :

• initialstructre/dftb_in.hsd : fichier d’entrée pour l’optimisation géométrique,
• slakos/ : fichiers de paramètres Slater-Koster (*.skf) et leur fichier LICENSE, décrivant les interactions électroniques entre les paires d’atomes du système,
• vibrations/dftb_in.hsd : fichier d’entrée permettant de calculer la hessienne (dérivées secondes) à la géométrie optimisée,
• vibrations/modes_in.hsd : fichier d’entrée pour l’outil de post-traitement modes, utilisé pour extraire et animer les modes normaux vibrationnels à partir de la hessienne.

Guide de démarrage rapide

Pour les plus impatients, voici comment exécuter l’ensemble du workflow sur <N> processus MPI et <nt> threads par tâche, en partant du principe que le répertoire courant contient l’image dftbplus.sif ainsi que les répertoires initialstructre, slakos et vibrations issus de l’archive d’entrée :

cd initialstructre
apptainer exec --env "OMP_NUM_THREADS=<nt>" ../dftbplus.sif mpirun -np <N> dftb+ | tee output
cd ../vibrations
apptainer exec --env "OMP_NUM_THREADS=<nt>" ../dftbplus.sif mpirun -np <N> dftb+ | tee output
apptainer exec ../dftbplus.sif modes | tee output_modes

Utilisation détaillée du conteneur DFTB+

Cette section explique comment utiliser l’image DFTB+. Pour plus de détails sur les commandes Apptainer, veuillez consulter ce tutoriel.

Introduction

DFTB+ est un logiciel open-source conçu pour effectuer des calculs dans le domaine de la chimie computationnelle et de la physique des matériaux. Il permet de calculer des énergies, des forces, des propriétés vibrationnelles et des transitions électroniques, et offre une grande flexibilité de configuration grâce à son format d’entrée modulaire. Le logiciel prend en charge à la fois la parallélisation MPI et le multithreading OpenMP.

L’exécutable principal contenu dans l’image est dftb+. Sa version et les informations de citation s’affichent automatiquement au début de chaque exécution, dans l’en-tête du résultat.

La licence du code est accessible depuis l’extérieur du conteneur comme suit :

dftb_path=$(apptainer exec dftbplus.sif ls /gnu/store | grep dftb)
license_path=$(apptainer exec dftbplus.sif find /gnu/store/$dftb_path -name "LICENSE")
apptainer exec dftbplus.sif cat $license_path

Description de l’exemple

Les fichiers d’entrée fournis dans ce tutoriel sont extraits d’un exemple officiel de la documentation de DFTB+ concernant la préparation d’une géométrie de départ pour une simulation de dynamique moléculaire. Le système présenté en exemple est une molécule composée d’atomes de carbone, d’oxygène et d’hydrogène (38 atomes au total), décrite en coordonnées cartésiennes.

Le workflow comprend trois simulations DFTB+ :

• Optimisation géométrique (initialstructre/dftb_in.hsd) : part de la géométrie d’entrée et la relaxe à l’aide d’un Driver à gradient conjugué jusqu’à ce que la composante maximale de la force passe en dessous de 1e-5. La structure électronique est calculée de manière auto-cohérente (SCC = Yes, SCCTolerance = 1E-7) avec un remplissage de Fermi à 400 K, en utilisant les fichiers Slater-Koster du répertoire slakos (référencés avec un préfixe relatif Type2FileNames) et une base de moment cinétique s/p pour H et C/O respectivement. Ce calcul produit la géométrie optimisée, geo_end.gen.
• Dérivées secondes (vibrations/dftb_in.hsd) : lit la géométrie optimisée produite ci-dessus et bascule le Driver sur SecondDerivatives, calculant la matrice hessienne complète par différences finies (Delta = 1e-4). Le résultat est écrit dans hessian.out.
• Modes normaux (vibrations/modes_in.hsd) : transmis à l’outil de post-traitement modes avec la géométrie optimisée et les fichiers Slater-Koster (nécessaires pour les masses atomiques), ce fichier d’entrée lit la matrice hessienne et la diagonalise pour obtenir les fréquences de vibration. PlotModes = -20:-1 sélectionne les 20 modes aux fréquences les plus élevées, et Animate = Yes génère une trajectoire animée au format .xyz pour chacun d’entre eux (mode_95.xyz à mode_114.xyz).

Exécution de la simulation

L’optimisation géométrique est exécutée sur quatre cœurs à l’aide de MPI, avec deux threads OpenMP par rang. Elle doit être lancée depuis le répertoire initialstructure, car les fichiers Slater-Koster sont référencés via un chemin relatif :

cd initialstructre
apptainer exec --env "OMP_NUM_THREADS=2" ../dftbplus.sif mpirun -np 4 dftb+ | tee output

Le calcul vibrationnel (dérivées secondes) s’effectue de la même manière, à partir du répertoire vibrations, qui fait également référence à la géométrie optimisée via un chemin relatif :

cd vibrations
apptainer exec --env "OMP_NUM_THREADS=2" ../dftbplus.sif mpirun -np 4 dftb+ | tee output

Une fois la matrice hessienne calculée, les modes normaux sont extraits à l’aide de l’outil modes, toujours à partir du répertoire vibrations :

apptainer exec ../dftbplus.sif modes | tee output_modes

Les commandes ci-dessus utilisent le mode parallèle « embarqué » d’Apptainer. Plus d’informations sur l’utilisation des conteneurs Apptainer en parallèle, y compris sur les clusters, sont disponibles sur cette page.

Lecture des résultats

Une fois l’optimisation géométrique terminée, initialstructre contient, entre autres :

• output : la sortie du programme, avec la convergence SCF et l’énergie totale à chaque étape de l’optimisation,
• dftb_pin.hsd : le fichier d’entrée entièrement résolu et analysé, utilisé par DFTB+,
• geo_end.gen / geo_end.xyz : la géométrie optimisée, utilisée comme point de départ pour l’analyse vibrationnelle.

Une fois le calcul des dérivées secondes terminé, vibrations contient, entre autres :

• output : la sortie du programme,
• hessian.out : la matrice hessienne calculée,
• born.out : les charges effectives de Born,
• vibrations.tag : un résumé lisible par machine de l’exécution, également généré par l’outil modes.

Après avoir exécuté la commande modes, output_modes répertorie la fréquence (en cm⁻¹) de chaque mode demandé. Dans cet exemple, les six modes les plus bas sont proches de zéro (translations et rotations de la molécule entière), tandis que les 20 modes demandés vont d’environ 1 710 cm⁻¹ à environ 3 067 cm⁻¹. Pour chacun d’entre eux, un fichier de trajectoire animée (mode_95.xyz à mode_114.xyz) est généré.

Visualisation d’un mode

La trajectoire animée au format .xyz d’un mode peut être visualisée à l’aide du logiciel VMD, par exemple. Le conteneur VMD peut être utilisé à cette fin, par exemple pour le mode de fréquence la plus élevée :

apptainer exec ../vmd.sif vmd mode_114.xyz