高通量晶体结构生成与筛选工作流 v2.0
CHTC 是一个基于 Python 的高通量材料计算工作流工具，用于自动化晶体结构的生成、优化、筛选和分析。集成了 PyXtal、MatterSim 等多个计算材料学库，实现从结构生成到相图分析的完整流程。
- 结构生成：基于 PyXtal 自动生成随机晶体结构
- 结构去重：基于指纹识别的高效去重算法
- 批量优化：使用 MatterSim 机器学习力场的真正 GPU 批处理优化
- 热力学筛选：基于凸胞能（Energy Above Hull）的热力学稳定性分析
- 声子谱预测：自动识别动力学稳定结构（无虚频）
- 相图绘制：自动生成二元/三元相图
- 多 GPU 支持：优化和声子计算支持多 GPU 并行
- 搜索空间分析：在生成前分析配比数量和空间群兼容性，智能推荐结构数量
# 1. 生成配置文件
chtc -g
# 2. 编辑 chtc.yaml，设置元素、原子数范围等
# 3. 分析搜索空间（推荐！）
chtc -t
# 4. 根据统计结果调整配置文件中的 target_total
# 5. 运行完整流程
chtc -r# 1. 初始化配置
chtc init --config chtc.yaml
# 或使用快捷命令: chtc -g
# 2. 分析搜索空间（推荐！）
chtc analyze-space --config chtc.yaml
# 或使用快捷命令: chtc -t
# 3. 运行完整流程
chtc run --config chtc.yaml --output output/
# 或使用快捷命令: chtc -rCHTC v2.0 提供灵活的模块化工作流：
1. generate → 生成结构
2. deduplicate → 去重
3. optimize → 3步优化 (fmax: 0.1 → 0.02 → 0.002)
4. phonon → 声子谱预测（动力学稳定性）
5. hull_final → 凸胞能计算 + 相图绘制
1. generate → 生成结构
2. deduplicate → 去重
3. optimize → 3步优化
4. hull_filter → 第一次凸胞能计算（热力学筛选 Ed < 0.1 eV/atom）
5. standardize → 标准化结构
6. deduplicate2 → 再次去重
7. phonon → 声子谱预测（动力学稳定性）
8. hull_final → 第二次凸胞能计算 + 相图绘制
流程控制：在配置文件中设置 hull_filter.enabled: false/true 来选择标准或完整流程。
# 克隆仓库
git clone https://github.com/your-username/CHTC.git
cd CHTC
# 创建 conda 环境
conda create -n chtc python=3.10
conda activate chtc
# 安装依赖
pip install -e .
# 或手动安装
pip install pyxtal pymatgen mattersim ase spglib numpy pandas pyyaml loguru tqdm# 步骤1: 生成配置文件
chtc -g
# 生成 chtc.yaml 配置文件
# 步骤2: 编辑配置文件
# 设置元素、原子数范围、空间群范围等参数
# 步骤3: 分析搜索空间（重要！）
chtc -t
# 查看配比数量、空间群兼容性统计
# 根据推荐设置 target_total
# 步骤4: 运行完整流程
chtc -r
# 自动执行所有步骤| 快捷命令 | 完整命令 | 说明 |
|---|---|---|
chtc -g |
chtc init --config chtc.yaml |
生成配置文件 |
chtc -t |
chtc analyze-space --config chtc.yaml |
分析搜索空间 |
chtc -r |
chtc run --config chtc.yaml --output output/ |
运行完整流程 |
chtc -h |
chtc --help |
显示帮助信息 |
chtc -v |
chtc --version |
显示版本信息 |
# 使用快捷命令
chtc -g
# 或使用完整命令
chtc init --config chtc.yaml
# 生成高级配置模板（包含所有可选参数）
chtc init --config chtc.yaml --advanced# 基本设置
elements: [La, S]
atom_range: [1, 6]
atom_step: 1
# 空间群设置
space_groups: [1-230]
# 结构生成
allocation_mode: total # 推荐使用 total 模式
target_total: 10000 # 根据 chtc -t 的建议设置
# 优化设置
model_path: MatterSim-v1.0.0-5M.pth
filter: FrechetCellFilter
pressure_GPa: 0.0
multi_gpu: true
# 凸胞能过滤（可选）
hull_filter:
enabled: false # true 启用热力学筛选
threshold_ev: 0.1 # 筛选阈值 (eV/atom)
# 声子谱设置
phonon:
enabled: true
supercell: "222" # 超胞设置
qmesh: "666" # q点网格
find_prim: true # 搜索原胞在生成结构之前，先分析搜索空间大小：
# 使用快捷命令
chtc -t
# 或使用完整命令
chtc analyze-space --config chtc.yaml
# 导出统计结果
chtc analyze-space --config chtc.yaml --export-json stats.json --export-csv details.csv输出示例：
【基本统计】
配比总数: 45
(配比, 空间群) 组合总数: 8,234
平均每个配比兼容空间群数: 183.0
【结构数量建议】
保守: 8,234 个结构 (每个组合 1 个)
适中: 24,702 个结构 (每个组合 3 个) ← 推荐
充分: 41,170 个结构 (每个组合 5 个)
详尽: 82,340 个结构 (每个组合 10 个)
根据建议，在配置文件中设置 target_total。
# 使用快捷命令
chtc -r
# 或使用完整命令
chtc run --config chtc.yaml --output output/
# 断点续算
chtc run --config chtc.yaml --output output/ --resume# 只执行部分步骤
chtc run --config chtc.yaml --output output/ \
--steps generate deduplicate optimize phonon hull_finalchtc -g # 生成配置文件
chtc -t # 分析搜索空间
chtc -r # 运行完整流程
chtc -h # 显示帮助
chtc -v # 显示版本chtc -h # 查看所有命令
chtc <command> -h # 查看特定命令的帮助
chtc generate -h # 查看 generate 命令的参数
chtc phonon -h # 查看 phonon 命令的参数# 1. 生成结构
chtc generate --config chtc.yaml --output raw/
# 2. 结构去重
chtc deduplicate --input raw/ --output unique/
# 3. 多步优化
chtc optimize --input unique/ --output opt/ \
--steps 3 --config chtc.yaml
# 4. 热力学筛选（可选）
chtc hull_filter \
--relaxed-csv opt/opt3/output_rlx.csv \
--output-csv hull1/output_hull.csv \
--output-dir hull1/ \
--threshold 0.1
# 5. 标准化
chtc standardize --input hull1/stable/ --output std/
# 6. 再次去重
chtc deduplicate --input std/ --output unique2/
# 7. 声子谱预测
chtc phonon --input unique2/ --output phonon/ \
--supercell 222 --qmesh 666 --find-prim --multi-gpu
# 8. 最终分析（凸胞能 + 相图）
chtc hull_final \
--phonon-csv phonon/output_phonon.csv \
--output-csv analysis/output_hull_final.csv \
--output-dir analysis/ --plot# ============================================================
# CHTC 配置文件
# ============================================================
# 元素设置
elements: [La, S]
atom_range: [1, 6]
atom_step: 1
# 空间群设置
space_groups: [1-230]
# 结构生成分配模式
allocation_mode: per_sg # per_sg 或 total
structures_per_sg: 10 # per_sg 模式：每个(成分,空间群)组合生成的数量
target_total: 50000 # total 模式：总目标结构数
# 模型设置
model_path: MatterSim-v1.0.0-5M.pth
# 优化设置
optimizer: FIRE
filter: FrechetCellFilter
pressure_GPa: 0.0
max_natoms_per_batch: 512
multi_gpu: true
# 去重设置
deduplicate:
enabled: true
mode: simple # simple 或 crystalnn
threshold: 0.1
# 凸胞能过滤（热力学筛选）
hull_filter:
enabled: false # 设置为 true 启用热力学筛选
threshold_ev: 0.1 # 筛选阈值 (eV/atom)
# Materials Project 设置
mp_strategy: loose # loose/cell-only/single-point
fmax_mp: 0.1
steps_mp: 50
# 声子谱设置
phonon:
enabled: true
supercell: "222" # 2x2x2 超胞
qmesh: "666" # 6x6x6 q点网格
find_prim: true # 搜索原胞-
per_sg：为每个(成分, 空间群)组合生成固定数量的结构- 适用于：系统探索所有可能的空间群
- 参数：
structures_per_sg
-
total：总结构数平均分配到所有兼容的(成分, 空间群)组合- 适用于：快速生成大量结构
- 参数：
target_total
-
false（推荐）：跳过热力学筛选，直接对所有优化结构进行声子谱预测- 流程：5步（generate → deduplicate → optimize → phonon → hull_final）
-
true：先进行热力学筛选，再对稳定结构进行声子谱预测- 流程：8步（增加 hull_filter, standardize, deduplicate2）
- 适用于：结构数量非常大，需要提前过滤
output/
├── 01_raw/ # 生成的原始结构
├── 02_unique/ # 去重后的结构
├── 03_optimized/
│ ├── opt1/ # 第一步优化 (fmax=0.1)
│ ├── opt2/ # 第二步优化 (fmax=0.02)
│ └── opt3/ # 第三步优化 (fmax=0.002)
│ └── output_rlx.csv # 优化结果CSV
├── 07_phonon/
│ ├── stable/ # 动力学稳定的结构
│ ├── fail/ # 不稳定或失败的结构
│ └── output_phonon.csv # 声子谱结果CSV
└── 08_analysis/
├── output_hull_final.csv # 凸胞能结果
└── phase_diagram_La-S.png # 相图
output/
├── 01_raw/
├── 02_unique/
├── 03_optimized/
│ └── opt3/
│ └── output_rlx.csv
├── 04_hull_filter/
│ ├── stable/ # 热力学稳定 (Ed < 0.1)
│ ├── unstable/ # 热力学不稳定
│ └── output_hull.csv # 第一次凸胞能计算
├── 05_standardized/ # 标准化后的结构
├── 06_unique_final/ # 再次去重
├── 07_phonon/
│ ├── stable/ # 动力学稳定
│ ├── fail/
│ └── output_phonon.csv
└── 08_analysis/
├── output_hull_final.csv # 第二次凸胞能计算
└── phase_diagram_La-S.png
# 优化支持多GPU（在配置文件中设置）
multi_gpu: true
# 或命令行指定
chtc optimize --input unique/ --output opt/ --multi-gpu
# 声子谱预测多GPU
chtc phonon --input std/ --output phonon/ --multi-gpu所有步骤都支持断点续算，通过 --resume 参数：
chtc run --config chtc.yaml --output output/ --resume# 查看缓存统计
chtc cache --stats
# 清空缓存
chtc cache --clear| 列名 | 说明 |
|---|---|
| chemsys | 化学体系 (如 "La-S") |
| formula | 化学式 |
| elements | 元素列表 |
| composition | 组成（JSON） |
| natoms | 原子数 |
| pressure_GPa | 优化压力 |
| fmax | 力收敛标准 |
| optimizer | 优化器 |
| filter | 晶胞过滤器 |
| cell_opt | 是否优化晶胞 |
| spacegroup | 空间群 |
| total_energy_eV | 总能量 |
| energy_per_atom_eV | 单位原子能量 |
| converged | 是否收敛 |
| n_steps | 优化步数 |
| timestamp | 时间戳 |
| structure_file | 结构文件名 |
| 列名 | 说明 |
|---|---|
| structure | 结构名称 |
| formula | 化学式 |
| natoms | 原子数 |
| supercell | 超胞设置 |
| primitivecell | 是否搜索原胞 |
| qmesh | q点网格 |
| has_imaginary | 是否有虚频 |
| stable | 是否稳定（无虚频） |
| dev | 计算设备 |
| gpu_name | GPU名称 |
| gpu_id | GPU ID |
| 列名 | 说明 |
|---|---|
| structure | 结构名称 |
| formula | 化学式 |
| elements | 元素列表 |
| composition | 组成（JSON） |
| natoms | 原子数 |
| n_elem | 元素个数 |
| total_energy_eV | 总能量 |
| E_f (eV/atom) | 形成能 |
| E_d (eV/atom) | 凸胞上方能（分解能） |
| decomp_compositions | 分解产物组成 |
| decomp_fractions | 分解产物摩尔分数 |
推荐：enabled: false（跳过热力学筛选）
原因：
- 声子谱预测才是最终的稳定性判据（动力学稳定）
- 热力学不稳定的结构可能动力学稳定（亚稳态）
- 避免遗漏有趣的亚稳相
仅在结构数量非常大（>10000）且计算资源有限时，才建议启用热力学筛选。
- 探索性研究：使用
per_sg模式，确保覆盖所有空间群 - 快速筛选：使用
total模式，快速生成大量结构
CHTC 会自动检测可用 GPU 并平均分配任务：
- 优化：每个 GPU 负责一部分结构的优化
- 声子谱：每个 GPU 负责一部分结构的声子谱计算
- 自动合并结果到单个 CSV 文件
- 批处理大小：
max_natoms_per_batch: 512（GPU 显存允许时可增大） - 优化步骤：默认 3 步已经足够（fmax: 0.1 → 0.02 → 0.002）
- 声子谱：
- 小系统：
supercell: "222",qmesh: "666" - 大系统：
supercell: "111",qmesh: "333"
- 小系统：
- Python >= 3.8
- PyXtal - 随机晶体结构生成
- PyMatGen - 晶体结构分析
- MatterSim - 机器学习力场
- ASE - 原子模拟环境
- spglib - 空间群识别
- NumPy / Pandas - 数值计算
- PyYAML - 配置文件
- loguru - 日志
- tqdm - 进度条
- matplotlib - 相图绘制
MIT License
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