CP2K是运行最快的开源第一性原理材料计算和模拟软件, 可研究上千个原子的大体系, 广泛用于固体、液体、分子、周期、材料、晶体和生物系统的模拟. 它是由马克斯-普朗克研究中心早在2000 年发起的一项用于固体物理研究的项目, 全部代码使用Fortran 2003 写成. 现在它已转由苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich)和苏黎世大学(Univ. Zurich)维护, 成为一个开源的项目, 遵从GPL协议, 用户可以从其官方网站(www.cp2k.org)下载到源代码.

CP2K的功能很多, 其输入文件的结构也比Gaussian或者VASP等常见的计算化学软件更加复杂. 这里，首先给出各种CP2K输入文件作为例子, 并说明其输入文件中各种参数的设置.

1. BAND使用band方法来进行最低能量路径(MEP)以及反应过渡态的搜索, 通常可以使用的方法有CI-NEB, IT-NEB等方法.
2. CELL_OPT晶胞参数的优化.
3. ENERGY 计算当前结构的能量. 对于DFT来说, 就是一个SCF计算.
4. ENERGY_FORCE计算当前结构的能量, 同时计算出每个原子上的梯度(即受力).
5. GEO_OPT对当前结构进行几何结构的优化, 以获得当前结构对应的局部极小点或者过渡态. GEO_OPT有两种类型: 一种是MINIMIZATION, 即优化到极小点; 一种是TRANSITION_STATE, 即优化到过渡态.

过渡态的优化采用Dimer方法来实现.

6. MD分子动力学模拟. 基于第一原理的分子动力学模拟是CP2K的一大优势. 此外, CP2K也支持使用力场以及DFTB等方法进行分子动力学模拟.
7. VIBRATIONAL_ANALYSIS对当前结构进行振动分析, 也就是频率计算. 频率计算可以计算部分原子的频率(INVOLVED_ATOMS), 也可以计算某一频率范围内的频率计算(MODE_SELECTIVE).

第一原理电子结构计算

1. DFT能量和力
2. Hartree-Fock 能量和力
3. Moeller-Plesset 二阶微扰理论(MP2) 能量和力
4. 随机相位近似(RPA) 能量
5. 周期边界条件
6. 基集包括各种标准的Gaussian型轨道(GTOS), 赝势平面波(PW)以及Gaussian和平面波混合基(GPW/GAPW)
7. 包括模守恒赝势、GTH、非线性核矫正赝势或者全电子计算
8. CP2K中可以使用的交换关联泛函很多, 但并非每个基组都为相应的泛函进行了优化. 经常使用的泛函有LDA(PADE), BLYP以及PBE, 在CP2K的tests目录中有相应的优化基组. 此外, CP2K中也可以使用B3LYP、HSE等杂化泛函, 可以使用DFT-D3 等色散校正
9. 通过DFT-D2以及DFT-D3模型进行色散矫正
10. DFT+U
11. 线性标度Kohn-Sham矩阵计算的稀疏矩阵和预筛选技术
12. DIIS自洽场极小化
13. 通过TDDFPT计算激发态
14. CP2K中主要有两种SCF的收敛算法, 一种是基于轨道变换(OT)的算法, 一种是基于对角化(DIAG)的算法. 如果体系有较大带隙的, 如为半导体或者绝缘体等, 推荐使用OT算法, 收敛速度比较快.

如果体系中HOMO-LUMO 带隙很小或者几乎没有, 如金属体系, 则建议使用对角化的方法进行计算并使用smear方法

分子动力学

1. Born-Oppenheimer 分子动力学(BOMD)
2. Ehrenfest 分子动力学(EMD)
3. 初始波函数的PS外推
4. 时间可逆的ASPC积分
5. 近似Car-Parrinello如Langevin Born-Oppenheimer分子动力学

混合量子经典模拟(QM/MM)

1. 用于估计QM和MM之间库仑相互作用的实空间多重网格方法
2. 线性缩放静电耦合处理周期性边界条件
3. 自适应QM/MM

https://www.cp2k.org