QUIP模型在昇腾上的迁移部署实践

作者：昇腾实战派

知识地图：https://blog.csdn.net/Lumos_Lovegood/article/details/161601003

背景概述

原子间势（Interatomic Potentials）是连接量子力学与大规模原子模拟的桥梁：第一性原理方法（如密度泛函理论，DFT）精度高，但可处理的体系规模通常限于数百个原子；经典经验势可以处理百万级原子体系，但精度依赖于固定的函数形式。机器学习势（Machine Learning Potentials）为这一矛盾提供了新的求解范式——在 DFT 数据上训练模型，以经验势的运行方式获得接近第一性原理精度的原子间相互作用。

QUIP（QUantum mechanics and Interatomic Potentials）由剑桥大学 Csányi 课题组开发，是基于 libAtoms 库的 Fortran 95+ 开源代码，实现了多种经典原子间势、紧束缚量子力学方法以及著名的机器学习势框架 GAP（Gaussian Approximation Potentials，高斯近似势，2010 年发表于 Phys. Rev. Lett.），并支持 QM/MM 多尺度耦合。项目由剑桥大学 Gábor Csányi、华威大学 James Kermode 与美国海军研究实验室 Noam Bernstein 长期共同维护，大部分代码以 GPL v2 协议开源，且可作为 LAMMPS、CP2K、ASE 等软件的插件或外部势提供方，是 GAP 类机器学习势的参考实现。GAP 的核心思想是用稀疏高斯过程回归学习原子局域环境到能量的映射：

E ( { r } ) = ∑ i = 1 N f ( x i ) E(\{\mathbf{r}\}) = \sum_{i=1}^{N} f(\mathbf{x}_i) E({r})=i=1∑N​f(xi​)

其中 ${\mathbf{x}}_i$ 为描述原子局域环境的 SOAP 描述子。作为对照，传统经验势（如本项目用于验证的 Lennard-Jones 势）则采用固定函数形式：

$$V_{LJ}(r)=4\epsilon \left[{\left(\frac{\sigma }{r}\right)}^{12}-{\left(\frac{\sigma }{r}\right)}^6\right]$$

本文介绍 QUIP 的昇腾 Ascend 平台适配版本——在 CANN 8.3.RC1 / HDK 25.2.3 环境下完成编译工具链、数学库与 quippy Python 接口的适配，并通过 LJ 势单原子 Cu 体系完成端到端功能验证。

模型介绍

QUIP 概述

QUIP 是一个覆盖"基础库—势函数—程序—Python 接口"完整栈的原子模拟代码集合，主要特点：

• 势函数库丰富：按官方文档，内置/链接了 16 类以上原子间势，覆盖金属、共价、水与离子体系（详见下文"势函数家族"），并通过 OpenKIM 接口接入通用势数据库
• 紧束缚量子力学：内置 Bowler、DFTB、GSP、NRL-TB 等紧束缚泛函形式与参数化方案
• GAP 机器学习势：基于稀疏高斯过程与 SOAP 描述子，支持从 DFT 数据拟合高精度势函数，另支持 MTP（矩张量势）等学习型势
• QM/MM 耦合：可与 CASTEP、CP2K、Quantum Espresso、FHI-aims 等电子结构软件对接，重点面向金属、半导体等材料体系
• 软件生态插件：可作为 LAMMPS、CP2K 的势插件，亦可被 Python 的 ASE 框架调用
• quippy Python 接口：通过 f90wrap 自动生成 Python 绑定，对 Fortran 类型与例程提供深度访问，并提供 ASE 计算器适配
• 扩展 XYZ 格式：以扩展的 xyz 文件作为统一的结构输入/输出格式（含 Lattice、Properties 等键值属性）

整体架构

模型组成

1. libAtoms 基础库

   • Atoms 原子结构数据类型（位置、种类、晶格、附加属性字典）
   • 扩展 XYZ 文件的读写与解析
   • 邻居表（ neighbour list ）构建、约束管理、域分解等基础能力

2. Potentials 势模块

   • 通过统一的 IP（Interatomic Potential）工厂接口初始化各类势
   • 经典势参数以 XML 文件描述（如 share/Parameters/ip.parms.LJ.xml）
   • GAP 势以 .xml 参数文件描述，内含稀疏点集与超参数

3. Programs 主程序

   • quip 可执行程序：指定结构文件、势初始化参数（init_args='IP LJ'）后计算能量/力、运行分子动力学与结构优化

4. Structure_processors / Utils

   • 结构处理与通用工具（缺陷构造、格点扫描等）

5. quippy Python 接口

   • 由 f90wrap 对 Fortran 2003 OO 接口自动生成绑定
   • 提供 Potential 类与 ASE Calculator，支持 energy、forces 等属性

核心机制：GAP 与经典势的统一接口

QUIP 的核心设计是统一的势对象接口：无论底层是固定形式的经典势，还是数据驱动的 GAP 势，上层（quip 程序、quippy、MD 驱动）均通过 initialise / calc / cutoff 等一致的方法调用。这使得在昇腾平台上完成 LJ 势的功能验证后，GAP 等更复杂的势函数可复用同一调用路径。

势函数家族

按官方文档与 src/Potentials/ 源码，QUIP 通过统一的 IP 工厂接口覆盖以下势函数家族：

家族	代表势函数	适用体系
经典对势	Lennard-Jones、Morse、Born-Mayer	惰性气体、通用验证
金属势	EAM（含 Ercolessi-Adams 参数化）、Finnis-Sinclair、Sutton-Chen、Glue、SiMEAM	fcc/bcc 金属、硅
共价势	Stillinger-Weber、Tersoff、Brenner（含 2002 与 screened 版本）	碳、硅、锗
机器学习势	GAP、MTP、LinearSOAP	通用多体体系
水与离子势	Fanourgakis-Xantheas、Partridge-Schwenke、Tangney-Scandolo、Flikkema-Bromley	水、二氧化硅、钛酸盐等
紧束缚	DFTB、NRL-TB、Bowler、GSP	半导体、碳体系
通用接口	OpenKIM、Custom、CallbackPot	接入外部势与自定义逻辑

测试体系

本项目使用最小化体系验证迁移正确性：

• 结构：单原子 Cu，置于晶格常数 3.615 Å（fcc Cu）的立方盒子中
• 势函数：LJ 势，参数取自 share/Parameters/ip.parms.LJ.xml（Cu：σ=4.0 Å，ε=1.0 eV，截断 6.0 Å，开启能量位移）

应用场景

• 分子动力学模拟：材料表面、缺陷、界面的大规模模拟
• 断裂与损伤力学：官方教程即包含石英断裂 MD 模拟与硅的自适应 QM/MM 断裂模拟等典型算例
• GAP 势拟合与主动学习：从 DFT 数据训练可迁移的机器学习势，支持 committee 模型评估预测不确定度
• QM/MM 多尺度模拟：化学反应区域的量子精度与环境的经典描述相结合
• ASE 生态集成：quippy 势可作为 ASE 计算器用于结构优化、过渡态搜索等流程
• 跨软件复用：同一势参数文件可经插件机制服务 LAMMPS、CP2K 等不同模拟引擎

昇腾 NPU 适配版本

迁移动机

QUIP 属于 Fortran 生态的科学计算代码，与 PyTorch 类深度学习框架不同，它的适配重点不在算子移植，而在完整工具链在昇腾软硬件环境下的可构建、可运行与接口可用性：

• 昇腾环境通常为鲲鹏 aarch64 架构，原始参考环境为 x86_64，编译器、BLAS 数学库、构建系统均需重新验证
• quippy Python 接口依赖 f90wrap 的源码级转换，对 gfortran 与 f90wrap 版本组合敏感
• CANN 8.3.RC1 / HDK 25.2.3 环境下的整体链路需要一次端到端的验证闭环

本适配版本的目标是：QUIP 在昇腾平台上零代码修改完成编译构建，quippy 接口可用，并通过 LJ 势计算验证数值输出正确。

仓库结构

QUIP/
├── meson.build / meson.options      # meson 构建定义（gap=true, mpi=false）
├── arch/                            # 各平台编译配置（Makefile.*）
├── src/
│   ├── libAtoms/                    # 基础库：Atoms 结构、XYZ、邻居表
│   ├── Potentials/                  # 势模块：LJ、EAM、SW、GAP 等
│   ├── Programs/                    # quip 主程序
│   ├── Structure_processors/        # 结构处理
│   └── Utils/                       # 工具
├── quippy/                          # f90wrap 生成的 Python 接口
├── share/Parameters/                # 势参数 XML（ip.parms.LJ.xml 等）
├── bin/                             # Python 辅助脚本
├── doc/                             # 文档与教程
├── tests/                           # 回归测试

核心迁移改动

1. 构建系统适配（meson）

QUIP 采用 meson 构建系统，无需修改构建脚本即可在 aarch64 上自动探测 gfortran 与依赖库：

meson setup builddir -Dgap=true -Dmpi=false
meson compile -C builddir

• -Dgap=true：编译 GAP 相关模块
• -Dmpi=false：关闭 MPI 并行，简化单机验证路径

2. 编译工具链与数学库适配

yum install -y gcc gcc-c++ make
yum install -y openblas-devel

• 编译器：使用系统 gfortran 替代参考环境中的 ifort 组合
• 数学库：以 OpenBLAS 提供 BLAS/LAPACK 实现，替代参考环境中的 MKL

3. Python 接口适配（quippy）

conda create -n quip python=3.9
conda activate quip
pip install "f90wrap>=0.3.0"
pip install ase>=3.17.0

• f90wrap 对 libAtoms/Potentials 的 Fortran 2003 面向对象接口进行源码级转换，生成 quippy 绑定
• ase 提供计算器协议，quippy 势可直接挂接到 ASE 的结构优化与 MD 流程

4. 功能验证路径

通过 quip 主程序 + LJ 势对最小体系进行能量计算，验证"结构文件解析 → 势初始化 → 能量计算"整条链路。

版本信息

软件	版本
CANN	8.3.RC1
HDK	25.2.3
gfortran	4.4
ifort	11.1
Python	3.9
f90wrap	≥0.3.0
ase	≥3.17.0

环境配置

创建并激活虚拟环境

conda create -n quip python=3.9
conda activate quip

下载 QUIP 代码

git clone https://atomgit.com/gmq123/QUIP.git
cd QUIP/

安装相关依赖

yum install -y gcc gcc-c++ make
pip install "f90wrap>=0.3.0"
pip install ase>=3.17.0
yum install -y openblas-devel

编译

meson setup builddir -Dgap=true -Dmpi=false
meson compile -C builddir

功能验证

生成测试数据

创建单原子 Cu 结构文件（fcc Cu 晶格常数 3.615 Å）：

cat > test_cu.xyz << EOF
1
Lattice="3.615 0 0 0 3.615 0 0 0 3.615" Properties=species:S:1:pos:R:3
Cu 0.0 0.0 0.0
EOF

运行测试

./builddir/src/Programs/quip \
  atoms_filename=test_cu.xyz \
  init_args='IP LJ' \
  param_filename=share/Parameters/ip.parms.LJ.xml \
  E

参数说明：

• atoms_filename：输入结构文件（扩展 xyz 格式）
• init_args='IP LJ'：初始化原子间势工厂，选择 LJ 势
• param_filename：LJ 参数 XML（Cu：σ=4.0 Å，ε=1.0 eV，cutoff=6.0 Å，energy_shift=T）
• E：请求输出体系能量。运行后 quip 依次打印版本与运行环境信息、结构读取信息（AT3 结构记录）以及体系的总能量，可通过与前述 LJ 参数的理论值对照确认计算结果正确。

迁移适配要点

迁移流程

步骤	说明
1. 环境评估	确认 CANN/HDK 版本与 aarch64 工具链（gfortran、meson）可用
2. 系统依赖安装	gcc、make、OpenBLAS 提供 Fortran 编译与 BLAS/LAPACK 支持
3. Python 环境	conda 隔离 py3.9，安装 f90wrap 与 ase
4. meson 构建	-Dgap=true -Dmpi=false，生成 quip 可执行程序
5. 功能验证	单原子 Cu + LJ 势能量计算，闭环验证解析→初始化→计算

关键技术点

• meson 构建系统：自动探测编译器与依赖库，QUIP 的构建脚本无需任何修改即可在 aarch64 上工作，这是"零代码修改"适配的关键
• OpenBLAS 数学库：替代参考环境中的 MKL，为 libAtoms 中的线性代数例程提供符号
• f90wrap 接口生成：quippy 并非手写绑定，而是由 f90wrap 对 Fortran 源码预处理后自动生成，版本组合（f90wrap ≥0.3.0 + gfortran）需要保持一致
• conda 环境隔离：Python 接口构建对解释器版本敏感，使用 py3.9 虚拟环境与系统编译环境解耦

与原始实现的差异

组件	原始参考环境	昇腾适配环境
架构	x86_64	aarch64（鲲鹏，昇腾平台宿主机）
Fortran 编译器	ifort	gfortran
BLAS 库	MKL	OpenBLAS
MPI	可选开启	关闭（-Dmpi=false）
QUIP 源码	—	零修改，完全复用上游构建系统

已知限制

• 当前验证范围覆盖 LJ 经典势与 quip 主程序的能量计算，GAP 拟合、QM/MM 等重型功能尚未在本环境做全量验证
• -Dmpi=false 关闭了 MPI 并行路径，多节点并行场景未覆盖
• quippy 构建对 f90wrap 与 gfortran 版本组合敏感，更换版本时需重新验证
• 若需启用 ifort 编译路径，需按 arch/ 目录下的配置模板另行适配

参考文献

• Csányi, G., Winfield, S., Kermode, J. R., De Vita, A., Comisso, A., Bernstein, N., Payne, M. C. Expressive Programming for Computational Physics in Fortran 95+. IoP Comput. Phys. Newsletter, Spring 2007.
• Kermode, J. R. f90wrap: an automated tool for constructing deep Python interfaces to modern Fortran codes. J. Phys. Condens. Matter 32, 305901 (2020). doi: 10.1088/1361-648X/ab82d2
• Bartók, A. P., Payne, M. C., Kondor, R., Csányi, G. Gaussian approximation potentials: the accuracy of quantum mechanics, without the electrons. Phys. Rev. Lett. 104, 136403 (2010). doi: 10.1103/PhysRevLett.104.136403