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CP2K Benchmark 数据集是一套专门为高性能计算（HPC）环境设计的性能测试与验证输入集合。该数据集来自开源第一性原理模拟软件 CP2K，用于评估在不同硬件平台、并行策略（MPI/OpenMP）和编译优化设置下，量子化学与分子动力学计算的性能表现。

与科学实验数据不同，本数据集主要用于高性能计算性能评估（运行速度、并行效率、扩展性等），由 CP2K 官方团队维护，数据与输入文件位于源代码的 benchmarks/ 目录中。

相关论文成果为「CP2K: atomistic simulations of condensed matter systems」，由瑞士苏黎世联邦理工学院联合苏黎世大学、巴塞尔大学等机构于 2013 年发布。

数据集结构

数据集位于 CP2K 源码仓库的 benchmarks/ 目录下，包含多个子目录与输入文件：

benchmarks/
 ├── Fayalite-FIST/        # FIST 模块基准，Fayalite 体系
 ├── QS/                   # Quickstep 模块基准（DFT/MD）
 ├── QS_DM_LS/             # 线性标度 DFT 基准
 ├── QS_HFX/               # 混合泛函 HFX 基准
 ├── QS_diag/              # 对角化算法基准
 ├── QS_mp2_rpa/           # MP2 / RPA 高精度基准
 ├── QS_ot_ls/             # 轨道变换线性标度 DFT 基准
 ├── QS_pao_ml_tio2/       # PAO / ML 势 TiO₂ 基准
 ├── QS_rubri/             # Rubredoxin 蛋白质基准
 ├── QS_single_node/       # 单节点 Quickstep 基准
 ├── QS_stmv/              # STMV 病毒体系基准
 ├── README.md             # 各基准说明文档

每个子目录中都包含：

• 体系结构文件（如 .xyz 、.psf 、.pdb）
• CP2K 输入脚本（.inp）
• 参考能量结果与输出模板
• 运行与性能记录脚本

数据集内容

该数据集包含多个标准化的基准问题，每个问题代表一种典型的科学计算场景，涵盖从经典分子动力学到从头算电子结构的不同计算类型。

1. H₂O-64

• 类型：DFT + 分子动力学
• 体系：64 个水分子（192 原子 / 512 电子）
• 用途：测试标准量子化学模拟在中等体系下的性能与扩展性。

1. Fayalite-FIST

• 类型： 经典分子动力学（FIST 模块）
• 体系：Fayalite 晶体（Fe₂SiO₄ 超胞，约 28,000 原子）
• 用途：评估经典力场计算及长程电场求和算法在大体系下的性能。

1. LiH-HFX

• 类型： Hybrid DFT（HFX 单点计算）
• 体系：LiH 晶体（216 原子 / 432 电子）
• 用途：测试混合交换泛函在多线程并行下的负载与通信效率。

1. H₂O-DFT-LS

• 类型： Linear Scaling DFT
• 体系： 2048 个水分子（6144 原子）
• 用途： 评估线性标度算法在大规模并行下的扩展性与内存需求。

1. H₂O-64-RI-MP2

• 类型：MP2 方法 + RI 近似
• 体系：与 H₂O-64 相同
• 用途：测试高阶从头算方法在 HPC 上的性能与计算开销。

运行基准测试

在运行部分基准测试前，可能需要先完成预处理步骤，用于生成所需的输入文件（例如波函数文件等）。
这些准备工作会在对应基准测试子目录下的 README.md 文件中详细说明，建议在开始测试前先阅读相关说明。

数据集中的基准测试通常采用 混合并行（Hybrid Parallel）的运行方式，即同时使用 MPI 与 OpenMP 进行并行计算。以下示例展示了如何为每个 MPI 进程分配 2 个线程来执行基准测试：

export OMP_NUM_THREADS=2
parallel_launcher launcher_options path_to_cp2k.psmp -i inputfile.inp -o logfile.log

其中：

• parallel_launcher 为 mpirun 、 mpiexec，或其他变体，例如在 Cray 系统上的 aprun，或使用 Slurm 作业调度时的 srun 。
• launcher_options 指定并行运行的节点数、 MPI 进程数、每节点任务数以及每任务线程数（应等于 OMP_NUM_THREADS 的值）。若并行运行配置已由作业环境自动设置，则无需手动指定。

获取基准测试结果

在运行完基准测试后，用户可以通过输出日志文件中的内部计时信息来获取 CP2K 的实际运行时间（walltime）。
数据集提供的所有基准测试都会在日志文件中记录这些计时信息，方便用户对比不同硬件或并行配置的性能表现。
获取方法示例如下：

grep "CP2K     "  *.log

此外，日志文件末尾还包含若干性能统计信息：

• DBCSR STATISTICS：显示 DBCSR 模块的计算与通信性能统计。前几行包括不同小矩阵块大小对应的浮点运算数（FLOPs），以及这些计算在 BLAS 、 SMM（小矩阵乘法器）与 GPU (ACC) 上的分布比例。
• DBCSR MESSAGE PASSING PERFORMANCE：显示 DBCSR 模块中的 MPI 调用性能统计。
• MESSAGE PASSING PERFORMANCE：显示 CP2K 其他部分的 MPI 通信性能统计。
• T I M I N G：列出各函数的调用时间与调用次数。

绘图

该项目还提供了用于生成扩展性（scaling）图表的 Python 脚本，用于可视化该数据集，可在以下目录中找到：

cp2k/tools/benchmark_plots/