yskit VASP 分段能带工作流使用与实测
更新日期：2026年10月20日。软件环境：VASP 6.6.1、VASPKIT 1.5.1。本轮默认20点实测使用P100，历史回归另含V100。
当完整能带路径占用显存过多时，可以把路径分成若干次计算，再按原顺序合并。yskit 的 菜单4「VASP 分段能带」 已把路径准备、顺序运行、断点续算、结果检查和合并串成一个工作流。最终保留 VASPKIT 可直接提取的 EIGENVAL、KPOINTS 等原生格式文件。
当前工作流按完整路径分段，保留VASPKIT默认的每段20点。本轮用6条路径、共120个路径点重新验证：128原子的P100单卡完整计算显存不足，逐段计算成功；双卡每卡采样峰值从 10313 MiB降至3869 MiB，降低62.5%。普通和HSE能带均完成拼接及VASPKIT提取对照。
1 功能怎样工作
对于LDA/GGA等半局域方法，工作流读取收敛SCF的CHGCAR，以 ICHARG=11 固定密度计算各段。各段使用相同晶胞、势和物理设置，绘图统一采用原SCF的费米能。路径上的采样点不能可靠地重新确定费米能，因此不会对每段分别归零。VASP官方DFT能带流程给出了这一固定密度方法和费米能处理要求。
杂化泛函依赖规则网格上的轨道，不能只读取CHGCAR并设 ICHARG=11。工作流保留同一组IBZKPT规则网格和WAVECAR，每次只附加当前路径的零权重点，使用 ICHARG=1。这个分段方式及其收敛注意事项见VASP官方杂化能带流程。
| 功能 | 实际行为 |
|---|---|
| 路径准备 | 隔离调用VASPKIT或vasptool生成KPATH，不覆盖原结构 |
| 按完整路径分段 | Γ→X算一次，X→M再算一次；直接保留KPATH中的每段采样点数，VASPKIT默认20点 |
| 保留原始路径 | 保留逻辑路径顺序、原有重复端点、标签和断开 |
| 顺序计算 | 在一次Slurm资源分配中逐段运行，不额外并发占卡 |
| 断点续算 | 重新提交同一run.sh，校验后跳过已完成段，失败段先留档 |
| 合并检查 | 核对正常结束、电子收敛、点序、带数、电子数及共享点能量差 |
| 结果输出 | 自动生成merged；由VASPKIT 211或252提取绘图数据 |
meta-GGA采用保留规则网格与轨道的方法；本次真实数值对照覆盖普通、自旋、SOC和HSE。当前合并的是本征值能带，不合并PROCAR投影、WAVECAR或vasprun.xml。
2 从准备结构到拿到绘图数据
整个过程按下面的顺序进行：
最终结构 → 生成能带路径 → 同晶胞静态SCF → 生成分段任务 → 提交计算 → 自动检查并拼接 → VASPKIT提取绘图数据。
生成路径和分段任务都通过菜单操作，只需要输入目录名、按编号选择资源。下面用一个新算例说明。
第一步 准备结构并打开yskit
把已经确定的最终结构命名为 POSCAR，放进算例总目录下的 structure 文件夹。登录集群后，在终端进入自己的算例总目录，输入：
yskit
选择 4．VASP 分段能带 → 1．第一步：生成能带路径。
| 屏幕提示 | 本例怎样填写 |
|---|---|
| 路径生成工具 | 选择VASPKIT；使用vasptool时选择对应项 |
| 体系维度 | 按材料选择三维、二维或一维 |
| 含POSCAR的目录 | 输入 structure |
| 新路径目录 | 直接回车，使用 band-kpath |
完成后，band-kpath 内会得到 KPATH.in 和路径对应的晶胞文件；VASPKIT通常生成 PRIMCELL.vasp。程序会显示实际文件名。
第二步 使用路径对应的晶胞完成SCF
在算例总目录建立 scf 文件夹。核对 band-kpath/PRIMCELL.vasp，将它作为SCF的 POSCAR，再准备所需的INCAR、POTCAR和规则网格KPOINTS。如果路径工具输出其他晶胞文件，以屏幕提示为准。
SCF晶胞必须与KPATH一致。 路径工具可能把输入结构标准化为更小的原胞，不能直接把该路径套到原来的超胞上。已有正确路径和同晶胞SCF的用户，可以跳过前面的路径生成步骤。VASPKIT路径说明
SCF需要保存电荷密度，设置 LCHARG = .TRUE.；使用杂化或meta-GGA时还需保存波函数，即 LWAVE = .TRUE.。按所选方法准备其他参数，在 scf 目录用yskit主菜单的 1．复制 Slurm 脚本 取得对应脚本，检查后提交。等静态SCF正常完成且电子收敛，再继续下一步。 yskit的分段功能会检查已有SCF，不会代替用户完成结构优化或SCF计算。
完成的SCF目录至少包含：
scf/
├── INCAR
├── POSCAR
├── POTCAR
├── KPOINTS
├── CHGCAR
├── OUTCAR
└── DOSCAR
杂化或meta-GGA还需要WAVECAR和IBZKPT。参考必须为 NSW=0 的自洽计算；不使用结构优化、中途终止或非自洽路径结果。d/f元素应在原SCF阶段正确设置LMAXMIX，常见要求分别为4和6。
第三步 用菜单生成分段任务
回到算例总目录，再输入 yskit，选择 4．VASP 分段能带 → 2．第二步：用已完成的SCF生成分段任务。
| 屏幕提示 | 本例怎样填写 |
|---|---|
| 已完成的静态SCF目录 | 输入 scf；若屏幕默认已是scf，直接回车 |
| 能带路径文件 | 输入 band-kpath/KPATH.in；默认相同时直接回车 |
| 用户类型 | 按自己的账户选择核时用户或套餐用户 |
| 计算平台 | 选择P100、V100或CPU |
| GPU数量 | 按需要选择，例如1张或2张；CPU不显示此项 |
| 新工作流目录 | 直接回车，使用 bands-workflow |
| 最后预览 | 核对路径、每段点数和资源，再选择生成工作流 |
不用选择每批多少点。 程序按KPATH中成对端点逐条计算，例如Γ→X、X→M、M→Γ。KPATH第二行的20表示每条路径共20个采样点，包含两个端点；三条路径就是60条K点记录。程序保留文件里的数值，不会为了降低显存而减少采样点。
生成后得到 bands-workflow，此时还没有提交作业。程序自动识别与SCF相同的VASP版本；SOC使用相应的非共线程序。GPU资源按每卡一MPI、一CPU设置。
第四步 提交一次作业 依次算完所有路径
进入新生成的工作流目录，提交：
cd bands-workflow
sbatch run.sh
程序在同一个Slurm作业内先算第一条路径，结束后释放VASP进程资源，再启动下一条。例如先算Γ→X的20个点，再算X→M的20个点，最后算M→Γ的20个点。每条路径保存在独立的任务目录，不需要用户逐条手工提交。
第五步 等待自动检查和拼接
全部路径正常结束后，程序检查电子收敛、K点顺序、带数，以及不同路径共享端点的能量是否一致。检查通过后，自动生成 merged 文件夹，将所有路径按原顺序拼接。原有重复端点和路径断开保留，不对每段做额外能量平移。
若任一段失败或端点误差超限，程序停止并保留日志，不生成未经检查的合并结果。修复后可在原工作流目录重新提交 sbatch run.sh，已验证完成的段会跳过。
第六步 提取绘图数据
看到 merged 已生成后，仍在 bands-workflow 目录执行：
bash extract.sh
脚本自动调用VASPKIT，普通能带使用211，杂化等需要规则网格的结果使用252。完成后在 merged 中查看 BAND.dat、REFORMATTED_BAND.dat、KLABELS和KLINES.dat，可以用来绘图或导入Origin。文件用途见第7节。
| 阶段结束时 | 应得到什么 |
|---|---|
| 路径生成完成 | band-kpath/KPATH.in及对应晶胞文件 |
| 静态SCF完成 | scf中的收敛结果和CHGCAR等参考文件 |
| 分段任务生成完成 | bands-workflow/run.sh和各段输入 |
| 分段计算与拼接完成 | bands-workflow/merged/EIGENVAL等完整路径结果 |
| VASPKIT提取完成 | merged/BAND.dat等可绘图数据 |
3 实测例子一 默认20点的六段高对称路径
Si2算例采用VASPKIT 303实际生成的路径，保留KPATH第二行默认的20：
Γ → X → U ｜ K → Γ → L → W → X
实际计算的六段依次是Γ→X、X→U、K→Γ、Γ→L、L→W、W→X。每段20点，共120条K点记录。竖线表示U和K之间断开，不增加U→K路径。工作流顺序计算6次，再与一次计算全部120点的结果比较。
| 设置 | 本例数值 |
|---|---|
| 结构 | Si2原胞，晶格常数5.43 Å |
| SCF网格 | Γ中心2×2×2 |
| 路径采样 | 每段20点，六段共120点 |
| 主要参数 | ENCUT=250 eV、EDIFF=10⁻⁸ eV、LREAL=FALSE、ALGO=Normal |
| 分段方法 | ICHARG=11，共同SCF密度 |
| 求解与输出 | 求解24带，输出前16带 |
| 最低迭代数 | NELMIN=20 |
| 全部目标带最大差值 | 0.00000000 eV |
4 实测例子二 默认20点的HSE杂化能带
HSE也使用上面六条高对称路径，每段20点，共120个路径点。每次计算保留原SCF的3个正权重规则网格点，再附加当前路径的20个零权重点，所以单次VASP实际包含23个K点。六条路径仍对应六次计算。
| 设置 | 本例数值 |
|---|---|
| 结构与资源 | Si2，P100单卡 |
| 杂化设置 | LHFCALC=TRUE、AEXX=0.25、HFSCREEN=0.2 Å⁻¹、HFRCUT=−1 |
| 算法 | ALGO=Damped、TIME=0.4、EDIFF=10⁻⁸ eV |
| 重启方式 | ISTART=1、ICHARG=1，保留共同规则网格和轨道 |
| 求解与输出 | 实际32条，输出前16条目标带 |
| 最低迭代数 | NELMIN=40 |
| 与完整计算的最大差值 | 0.00000100 eV |
| VASPKIT提取入口 | 252 |
5 实测例子三 128原子体系的显存不足与分段结果
Si128使用4×4×4个Si原胞组成的FCC超胞，SCF为Γ单点。计算该超胞倒空间中的六段路径，每段20点，共120点；这是超胞折叠能带，不是原胞能带展开。两种计算方式使用同一份收敛CHGCAR、相同ENCUT=250 eV、EDIFF=10⁻⁶ eV、LREAL=Auto，以及实际求解352带、输出320带。
完整计算一次放入全部120点；分段计算则依次运行六条完整路径，每次20点，既不减少总采样点，也不再切开单条路径。
CUDA_ERROR_OUT_OF_MEMORY，分段成功完成全部六段。双卡完整和分段都完成，以占用最高的一张卡比较峰值。| 资源 | 一次全部120点 | 每次20点 顺序六段 | 显存结果 |
|---|---|---|---|
| P100单卡 | 显存不足，未完成 | 完成，峰值7839 MiB | 将本例从完整路径OOM变为可完成 |
| P100双卡，取最高卡 | 完成，峰值10313 MiB | 完成，峰值3869 MiB | 每卡峰值降低62.5% |
单卡完整计算没有成功分配所需显存，失败前观测到的占用不能当作“完整计算所需显存”，因此不给单卡计算降低百分比。单卡分段的全部320条目标带与成功的双卡完整路径结果比较，最大差值为0.00000000 eV；双卡分段与双卡完整计算的最大差值为0.00000000 eV。
分段降低了同时保留的路径相关数据，但每段仍有网格、轨道和求解工作区等开销。完整的一条路径也必须能装入显存。 本例结果不能直接推广到所有100或200原子材料；元素、带数、截断能、真空层和泛函都会影响占用。分段还会增加进程启动和重复准备工作，不把省显存等同于加速。
6 为什么还要缓冲带和接缝检查
VASP达到总能量收敛条件时，最高几条空带仍可能没有充分收敛。本次测试观察到了重复k点能量不一致，程序因此拒绝合并。VASP的NBANDS说明也指出，接近所求最高态的本征矢通常收敛更慢。
| 设置 | 普通固定密度 | 杂化或meta-GGA |
|---|---|---|
| 默认额外缓冲带 | 至少8条或目标带数10%，取较大者 | 至少16条或目标带数20%，取较大者 |
| 默认最低迭代数 | 20 | 40 |
| 默认共享点合并阈值 | 0.005 eV | 0.005 eV |
实际求解带数还会按并行要求取整。缓冲带只参与求解，最终按明确声明的目标带数裁掉；目标能量行来自真实输出，不作逐段平移。
若接缝仍超差，先保留日志并检查SCF、目标空带和收敛设置，需要时增加求解余量后在新目录生成。默认输出带数不低于原SCF实际带数。不要通过逐段能量平移或随意放宽阈值掩盖误差。
7 最终文件怎样提取和画图
分段正常完成并通过检查后自动生成：
bands-workflow/
├── run.sh 提交与续算
├── extract.sh VASPKIT提取
├── state.json 各段状态
├── inputs/ 共同SCF输入快照
├── tasks/ 各段真实输出
└── merged/
├── EIGENVAL 合并后的目标能带
├── KPOINTS 完整路径或规则网格加完整路径
├── KPATH.in 完整路径及标签
├── POSCAR
├── INCAR
├── POTCAR
├── DOSCAR 原SCF副本，用于共同费米能
└── merge-report.json 来源与校验结果
在工作流目录执行：
bash extract.sh
脚本先检查输入与合并文件哈希，再加载VASPKIT 1.5.1并选择对应任务。也可以把merged整个目录复制到其他位置，手动提取：
cd merged
module load vaspkit/1.5.1
vaspkit
普通、自旋或SOC固定密度能带输入 211；杂化及规则网格加零权重路径输入 252。完成后输入0退出。
| 输出文件 | 用途 |
|---|---|
| BAND.dat | 每条带的路径距离和能量，可直接绘图 |
| REFORMATTED_BAND.dat | 按路径点展开的多列能量，便于导入Origin等工具 |
| REFORMATTED_BAND_UP.dat和DW.dat | 自旋极化时的两个通道重排数据 |
| KLABELS | 高对称点或测试点的标签与横轴位置 |
| KLINES.dat | 绘制路径分界线的坐标数据 |
DOSCAR在这里提供原SCF费米能，不代表重新完成了完整路径的DOS计算。整套结果是对各段真实本征值的聚合，不伪造一次完整VASP运行的OUTCAR或XML。
随附两组可以直接尝试VASPKIT提取的普通能带示例和杂化能带示例。它们是本次实际计算的后处理数据，已在新目录重新提取并确认主要绘图文件与原结果逐字节一致；操作方法见示例说明。
8 查询进度和断点续算
输入 yskit，选择 4．VASP 分段能带 → 3．查看已有工作流状态，填写工作流目录，例如 bands-workflow。终端会显示总段数、完成段数及是否已经合并。
中断后在原工作流目录再次执行 sbatch run.sh。已完成段必须通过收敛、点序、带数和输出哈希检查，才会被跳过；失败段先留档再重新运行。重新提交时，终端会显示哪些段已验证并跳过，不需要用户另行拆分或拼接。
需要改变采样或参数时，在新目录生成工作流。原工作流包含绝对路径和冻结输入，生成后不移动；可独立复制的是merged结果目录。
9 本轮验证范围与配套数据
| 实际测试 | 原子数 | 资源 | 每段点数与总点数 | 顺序任务 | 输出带数 | 最大能量差 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 普通能带 | 2 | P100 1卡 | 20×6＝120 | 6 | 16 | 0.00000000 eV |
| HSE杂化 | 2 | P100 1卡 | 20×6＝120 | 6 | 16 | 0.00000100 eV |
| 较大体系单卡 | 128 | P100 1卡 | 20×6＝120 | 6 | 320 | 0.00000000 eV |
| 较大体系双卡 | 128 | P100 2卡 | 20×6＝120 | 6 | 320 | 0.00000000 eV |
四组均按VASPKIT默认每段20点、每条路径一个任务完成，检查了原生EIGENVAL、本征值、VASPKIT提取的距离和KLABELS。Si128单卡完整路径OOM，其分段数值以双卡完整路径为参考；其余各组与相同卡数的完整计算对照。“0 eV”表示输出记录精度内相同。
此前的自旋、SOC、V100等九组回归记录仍保留；它们的路径点数和任务划分属于各自历史测试，不混入上面的20点显存结果。CPU、其他VASP版本及meta-GGA尚未逐一完成本轮真实数值对照。
溶剂、固定占据等部分特殊输入不在当前自动流程范围。半局域SCF使用四面体法时，固定密度路径计算改用ISMEAR=0、SIGMA=0.05，保持SCF密度不变；杂化或meta-GGA的四面体输入会被拒绝，以免丢失网格连接信息。
完整数值见能带逐点对照CSV、显存采样CSV、验证汇总和数据说明。配套的PBE/HSE后处理示例也使用本轮每段20点的实际结果。