#import "@preview/minimal-presentation:0.6.0": *
#import "@preview/xarrow:0.3.1": xarrow

// 中文使用思源宋体，英文使用 Times New Roman
#set text(font: ("Times New Roman", "Source Han Serif SC"))
#show raw: set text(font: "FiraCode Nerd Font")

#show: project.with(
  title: "在科学计算中使用Nix",
  sub-title: "实战经验与挑战",
  author: "陈浩南",
  date: "2025-08-09",
  index-title: "目录",
  logo: image("./nix-snowflake-colours.svg"),
  logo-light: image("./nix-snowflake-white.svg"),
  cover: image("./DSC_0210.JPG"),
  main-color: rgb("#3e5c98"),
  lang: "zh"
)

// 默认的字体太小
#show raw: set text(size: 18pt)

= 自我介绍

== 关于我自己

#columns-content(colwidths: (2fr, 0.8fr))[

- 现居厦门，学生，搞物理的。
- 在联邦宇宙活动。
- 希望和大家成为朋友！

][
  #figure(
    image("qrcode.png", width: 120%),
    caption: "扫码看主页",
    numbering: none
  )
]

== 使用过的发行版

- 桌面：2018年起主力使用Linux，Deepin #sym.arrow Arch #sym.arrow Gentoo #sym.arrow NixOS (2023-05-28)
- 个人服务器：OpenWRT #sym.arrow Ubuntu #sym.arrow Arch #sym.arrow Gentoo #sym.arrow NixOS
  - 著名作品：xmurp-ua
- 科学计算：2020年硕士入组，Gentoo + Ubuntu #sym.arrow NixOS (2023-09)

== 科研方向

- 组内：宽禁带半导体（氮化物、碳化硅等）。
- 个人：第一性原理计算，兼职管理服务器。
  - *第一性原理*计算：仅依赖最基础的物理原理（量子力学），原则上不引入经验值。

#columns-content[
  #figure(image("atom.png", width: 70%))
][
  #show math.equation: set text(size: 40pt)
  #xarrow(sym: sym.arrow, [$hat(H)phi = hat(E)phi$])
][
  稳定结构？

  电学/热学/光学性质？

  缺陷/杂质？
]

= 科学计算在实践中面临的困难

== 科学计算特点

#text(15pt)[（\*更专业报告见明天的《高性能计算》\@VickieGPT。）]

- 相比于爱好者折腾/软件开发的环境，科学计算的环境有*两个特别需求*：
  - 计算量大 #sym.arrow #text(red)[*高性能*]。
  - 使用者缺乏CS技能 #sym.arrow #text(green)[*易于使用和维护*]。

矛盾：#text(red)[*高性能*] #sym.arrow 复杂的软硬件配置 #sym.arrow *难以实现* #text(green)[*易于使用和维护*]。

== 科学计算现状

#columns-content(colwidths: (1.7fr, 1fr))[

#text(red)[*高性能*] 和 #text(green)[*易于使用和维护*] 的矛盾，导致充满妥协：

#set text(18pt)

- *不存在*的包管理：手动收集依赖、修改Makefile
- *老旧*的基础环境：10+ 年前
- *随意*的编程习惯：无视标准、能用就行
- *闭源*的编译器：Intel (OneAPI)，Nvidia (HPC SDK)
- *混乱*的用户权限：账户多人共用

#text(15pt, gray)[（\*仅身边统计学，没有diss别的组的意思）]
][
  #figure(
    image("meme.jpg", width: 100%),
  )
]

// == 我们需要更多的可复现！
// 
// #figure(image("更多的.png", width: 90%))
// 
// 如果能够利用 Nix 的*可复现性*，实现*一次编程、到处部署*，该多好！

= 使用Nix搭建科学计算环境

== Nix / NixOS的优势

- 编译软件超方便
  - 超多软件包：Nix: 100k+, Arch: 70k+, Ubuntu: 39k+, CentOS: 2k+
  - 方便打新包/打补丁。
- 配置服务不易错
  - SLURM、NFS 等都有现成模块。
  - 多机器/服务/用户共用配置。

Nix 的优势：将 *编译/配置过程* 抽象成 *可复现、可版本管理的代码*，从而重复使用，用*机器*的自动化运作代替*人力*的劳动。

== 用 Nix 解决问题

- *不存在*的包管理：用Nix提供依赖/打包
- *老旧*的基础环境：关我 `/nix/store` 什么事？
- *随意*的编程习惯：Nix保证如果今天能用，那么一年后也能用。
- *闭源*的编译器：打包进 Nix 了
- *混乱*的用户权限：系统级环境/复用 hm 配置

== 配置细节

- 组内小集群：NixOS。
- 超算（无 root 权限）：使用 Nix 安装小工具（e.g. gnuplot）。
  - 编译器、MPI、VASP 等已经使用传统方式安装，下一次更新时再考虑使用 Nix。

=== 编译器、MPI

- Intel 编译器（OneAPI）：
  - 必需，因为对一些软件有优化，比 gfortran 更宽容。
  - 在 bscpkgs 基础上修改。
- Nvidia 编译器（HPC SDK）：
  - 必需，提供 nvfortran、QD 库等。
  - 自行打包（`nvhpcPackages.stdenv`）。
- OpenMPI：
  - 需要修改才能与闭源编译器兼容。（还没有提pr）
  - NVIDIA 需要使用修改过的源代码。
- 提供 overlay 及示例：`github:CHN-beta/nix-hpc-test`。
- 仍有需要改进的地方（详见下文）。

=== NixOS上的其它软件和服务

- 文件系统：
  - NFS 共享 `/home`；Btrfs 透明压缩 RAID1。
  - hm 和 impermanence 需要单独处理（详见下文）。
- 队列系统：
  - 使用 SLURM。
  - MPI 尽量使用 OpenMPI、尽量用 srun 启动。
  - 提供 TUI 代替 sbatch。
- native 优化：
  - 针对硬件优化（设置 `hostPlatform.gcc.arch`、`oneapiArch`、`nvhpcArch`）。
  - nixpkgs 半年更新一次，期间仅 cherry-pick 个别提交。平衡“新”、“稳定”与编译整个系统需要的代价。

=== 超算上使用 Nix

- 没有 user namespace。proot 影响性能。
- 使用可读写的 store 目录。编译机上建立相同的目录，编译好再上传。
  - 不能设置 `real` 参数指向 `/nix/store`，否则会破坏编译机的 Nix 数据库。

```sh
# this will break the build machine's nix database
sudo nix build --store 'local?store=/data/gpfs01/jykang/.nix/store&real=/nix/store' .#jykang
# this is safe
sudo nix build --store 'local?store=/data/gpfs01/jykang/.nix/store&state=/data/gpfs01/jykang/.nix/state&log=/data/gpfs01/jykang/.nix/log' .#jykang
```

= 一些开放性问题

== 闭源编译器打包

能工作但质量不高。

- 依赖 gcc：
  - 在非 FHS 环境下，用参数/环境变量指定 gcc。
  - gcc/gfortran 分包/wrap，如何合并得到“完整”的gcc？
- 支持参数与 gcc 不同。需要仔细调整。

#text(red)[Call for help]：很需要了解 stdenv 的同学的帮忙。

== impermanence / hm on NFS

- `.bashrc` 等需禁用软连接、改为 bind mount。
- 父目录的父目录的所有者会出错（bug？）

== 构建时FHS环境（FHSStdenv）

- 在*构建时*提供 FHS 环境，以快速（但低质量地）打包上游提供了installer的软件？
- 这不美观，但很有用！
- 目前不能复用 stdenv 中 setup hook / xxxPhase。能否编写`FHSStdenv`？

=== 一个例子（曾经的 NVIDIA HPC SDK 打包）

```nix
let
  builder = buildFHSEnv
    { extraBwrapArgs = [ "--bind" "$out" "$out" ]; };
  buildScript = writeShellScript "build.sh" ''xxxxx'';
in stdenvNoCC.mkDerivation
{
  pname = "nvhpc";
  installPhase =
  ''
    mkdir -p $out
    ${builder}/bin/builder ${buildScript}
  '';
}
```
= 总结

== 理想 vs 现实

- 理想：
  - *软件开发者*使用 Nix，我们一键安装/配置；
  - *论文作者*使用 Nix，我们一键复现，略作修改继续研究；
  - *超算管理员*使用 Nix，必要时一键回滚，方便互相参考。
- 现实：
  - 在现实中没有遇到除我以外的科研人员使用Nix。
  - 网上有一些。Barcelona Supercomputing Center（巴塞罗那，西班牙）开源了 bscpkgs，其中包含 Intel 闭源编译器。

== 展望

我认为 Nix 在科学计算中有很大的潜力，但：
- 使用不够广泛；我也不知道怎么办。
  - 明天上午《如何在公司里把 Nix 安利给同事》\@Noa Virellia
- 缺少一些“垫脚石”，还需要开源社区努力（包括我在内）。