CP2K密度嵌入：分区、嵌入势与能量拼接

下载CP2K输运与密度嵌入完整输入、真实输出和绘图程序，保存为example.zip：

python3 -m zipfile -e example.zip .
cd cp2k-negf-embedding-examples
bash results.sh
bash plot.sh

前两条整理文件；results.sh读参考数据，plot.sh从真实CSV和密度网格画图，不启动电子计算。完整输入在inputs/，原生数值在reference-results/，11份CSV在data/。本组采用CP2K2026.2和官方小模型，供实际操作参考，不作为收敛后的材料性质或性能基准。

1. 哪部分用较高层级方法#

本例把5原子模型分为A区水分子和B区氢分子：A为原子1–3，B为原子4–5。低层采用PBE，全体系先建立参考电子密度；随后优化使两个分区与参考密度相容的嵌入势，最后将B区换成含25%HF交换的PBE0计算，并组合总能量。

这是5Å周期小胞中的操作模型，100Ry、cc-TZ/RI_TZ、GTH-HF-q6/q1和较松的源示例密度阈值。它不等同于充分隔离的水–氢分子结合能研究，也不能把其阈值用于所有生产任务。

本篇是左侧模型；右侧FAB模型的几何、盒子和网格不同，后篇另讲，不能按两者总能量大小给算法排名。

2. 查看输入并理清5个计算块#

cat inputs/water-H2-embed-p100/input.inp

全文件包含5个顶层FORCE_EVAL：第1个是EMBED组合器，其余依次为低层A、低层B、低层A+B参考、高层B。

&GLOBAL
 PROJECT h2o_h2_pbe
 RUN_TYPE ENERGY
 PRINT_LEVEL MEDIUM
&END GLOBAL
&MULTIPLE_FORCE_EVALS
 FORCE_EVAL_ORDER 2 3 4 5
 MULTIPLE_SUBSYS T
&END MULTIPLE_FORCE_EVALS
&FORCE_EVAL
 METHOD EMBED
 &EMBED
  NGROUPS 1
  &MAPPING
   &FORCE_EVAL 1
    &FRAGMENT 1
     1 3
     MAP 1
    &END FRAGMENT
   &END FORCE_EVAL
   &FORCE_EVAL 2
    &FRAGMENT 1
     1 2
     MAP 2
    &END FRAGMENT
   &END FORCE_EVAL
   &FORCE_EVAL 3
    &FRAGMENT 1
     1 5
     MAP 3
    &END FRAGMENT
   &END FORCE_EVAL
   &FORCE_EVAL 4
    &FRAGMENT 1
     1 2
     MAP 2
    &END FRAGMENT
   &END FORCE_EVAL
   &FORCE_EVAL_EMBED
    &FRAGMENT 1
     1 3
    &END FRAGMENT
    &FRAGMENT 2
     4 5
    &END FRAGMENT
    &FRAGMENT 3
     1 5
    &END FRAGMENT
   &END FORCE_EVAL_EMBED
  &END MAPPING
 &END EMBED
 # 本块SUBSYS及后4个完整FORCE_EVAL均在下载输入中
&END FORCE_EVAL

注意：MAPPING内部从1到4编号的是上面执行顺序中的4项任务，不是把最外层EMBED组合器再算一次。换成自己的体系时，A/B原子顺序、每个分区的COORD和这份映射必须一起修改。

3. 嵌入势由参考全体系块控制#

低层全体系的QS设置：

&QS
 METHOD GPW
 EPS_DEFAULT 1.0E-15
 EPS_PGF_ORB 1.0E-30
 REF_EMBED_SUBSYS .TRUE.
 &OPT_EMBED
  DENS_CONV_INT 0.5
  DENS_CONV_MAX 0.025
  GRID_OPT .FALSE.
  N_ITER 50
  OPTIMIZER LEVEL_SHIFT
  POT_GUESS RESP
  REG_LAMBDA 0.00001
 &END OPT_EMBED
&END QS

DENS_CONV_INT和DENS_CONV_MAX是这里的密度差停止条件，不是离子受力，也不是SCF能量误差。源例的RESP初始势及其PROPERTIES/RESP设置已完整保留，不能只复制上面一个QS片段而省掉相关块。

高层B块标记HIGH_LEVEL_EMBED_SUBSYS，其实际交换设置为HF占比0.25、PBE交换0.75和PBE相关1.0，并采用半径2.45Å截断的HF相互作用；完整参数见输入末段。

4. 使用对应构建提交#

这个LEVEL_SHIFT实例使用cp2k/2026.2-p100，GNU13.3、MPICH5.0.1、CUDA12.9、OpenBLAS0.3.33、ScaLAPACK2.2.3。请用所附P100入口，1MPI×2OpenMP，一张P100；不要直接换成另一构建来推断兼容性或加速比。

cat job-levelshift.slurm
sbatch job-levelshift.slurm

5. 同时读主输出和分任务输出#

grep 'Total FORCE_EVAL' reference-results/water-H2-embed-p100/output.log
grep -E 'SCF run converged|Optimize embedding|Convergence in|Total energy:' reference-results/water-H2-embed-p100/*r-1.out
cat data/embedding-energies.csv

主output.log给出组合总能量；各层SCF和嵌入迭代细节在*r-1.out里。不要因主文件没有常规SCF迭代行，就以为没有计算。

本例可按Eref + Ehigh(B,embed) − Elow(B,embed)独立重建，差约3.6×10⁻¹⁵Hartree。这里相减的是同一嵌入条件下的两层B区能量，不能换成随意单独计算的孤立H₂能量。

6. 检查密度阈值后再提升精度#

本例2次嵌入迭代后，原生最大密度差0.020741574低于源阈值0.025，积分密度差0.4919179605低于0.5，满足的是这份演示输入的停止条件。这些阈值较松，实际定量能量、力或性质研究需进一步收紧并检查变化。

新计算和另外两个章节的模型都完成后：

bash extract.sh
bash plot.sh --data work/analysis --output figures-new

继续看FAB同层级对照与密度文件。模型及映射来源：CP2K固定版本嵌入示例。