面向E级计算的材料科学计算软件系统与应用

新型功能材料的研发是国民经济和国防建设的基础和先导，对推动科技产业的发展起着至关重要的作用。基于高性能计算的材料设计是加速功能材料研发的重要途径，也是世界大国持续投入大量人力物力进行竞争的核心领域。近年来，国内外高性能计算机已逐步发展到数十亿倍(e级)的计算水平，有望实现人类前所未有的大规模、长期、高通量的材料计算和设计，给材料科学的发展带来前所未有的机遇和挑战。

中国的天河超级计算机多次位居世界前列，表明中国高性能计算机的研发能力已经达到世界领先水平，但中国材料科学计算软件的研发却极其落后。据不完全统计，我国自主知识产权的材料科学计算软件不到世界的2%，具有国际影响力的很少，这严重制约了我国功能材料设计和研究的自主创新。为了抢占电子级材料计算的世界制高点，增强我国材料研发的核心竞争力，迫切需要自主开发能够高效进行电子级材料计算的软件系统，实现大规模、长期、高通量的材料计算和设计。

鉴于上述产业现状，国家“十三五”高性能计算优先项目明确提出“围绕我国材料科学领域高通量e级计算需求，开发涵盖第一性原理、微观分子动力学和宏观动力学演化的具有自主知识产权的应用软件系统，实现能源、信息、制造等领域新材料创新设计和物性研究的e级数值模拟，并通过展示获得数值模拟结果。”最近，吉林大学与中国科学技术大学、北京应用物理与计算数学研究所、计算机网络信息中心和中国工程物理研究所核物理与化学研究所共同批准了“材料科学计算软件系统与电子计算应用”项目。项目负责人是吉林大学的马琰铭教授。

本项目以吉林大学自主开发的结构搜索与设计软件CALYPSO、中国科技大学自主开发的第一原理计算软件ABACUS、北京应用物理与计算数学研究所自主开发的动力学仿真软件MOASP为基础，开发了一套适用于E级计算的集结构搜索与设计、第一原理计算、微观与宏观动力学仿真于一体的材料科学计算软件系统。基于10，000个内核的软件系统的整体并行效率超过600，000个处理器内核的30%。项目拟利用软件系统进行10亿次以上规模的实证研究，获得具有显示度的数值模拟结果，充分展示基础研究的E级计算支撑能力。

为了实现上述目标，本项目的研究内容主要集中在计算方法的开发、软件系统的开发和典型演示验证上。它致力于在大量任务条件下开发负载平衡结构搜索和设计软件。发展高并行哈密顿矩阵构造和Kohn-Sham方程求解技术，设计分子动力学模拟的高效并行方案，发展宏观动力学模拟的流固耦合计算方法，实现第一性原理计算和动力学模拟的大规模并行扩展；设计E级计算的软件系统架构，规范统一数据结构，实现各功能软件的无缝耦合，最终开发出面向E级计算的材料科学计算软件系统。

利用开发的计算软件系统，围绕能源材料领域E级计算的典型需求，开展了十亿级以上多元光伏材料的大规模结构设计和光电转换性能研究，开展了炸药热分解、相变、气体产物化学反应和壳体动态响应过程数值模拟等典型示范研究，设计了2-3种高效、经济、环保的新型多元光伏材料。完成了1-2种关键炸药的安全性评估，实际上为能源材料的研发和重大项目的安全性评估服务。充分展示了电子级计算在材料科学领域的支撑作用，为国内外同行开展面向电子级计算的材料设计和物性研究提供参考。

该项目的顺利实施有望产生一系列国际领先的材料科学计算方法、算法和技术，主要包括:高并行性负载平衡材料结构搜索和设计方法、基于数值原子轨道基集的低复杂度Kohn-Sham方程求解算法、分子动力学时间并行技术等。在研发成功后，该软件系统将部署在国家超级计算中心，为我国材料科学领域的同行开展功能材料的创新设计和物性研究提供强有力的工具，提高我国材料科学计算软件的低水平，增强我国功能材料研发的核心竞争力。

该项目的实施不仅促进了我国材料科学计算软件的发展，也为其他领域开发电子级计算应用软件系统提供了参考。它对促进“十三五”重点工程“高性能计算”总体目标的实现发挥了重要作用。

作者:吉林大学超硬材料国家重点实验室