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計算服務(wù)海量算力,，助力新材料計算軟件創(chuàng)新！

發(fā)布時間: 2022-01-27


歷史上,，每次新材料的發(fā)現(xiàn)都標志著社會文明進化,。如今，環(huán)境污染和化石能源匱乏的問題日益顯著,，為了人類的可持續(xù)發(fā)展,，尋求開發(fā)新能源和可再生資源迫在眉睫。

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第一性原理的計算軟件加速新能源的探索

太陽能和風能等新型能源雖然便利清潔,，但受時空分布不均勻的特點限制,，不能廣泛使用；這使得開發(fā)具有高能量密度和大功率密度的新型金屬離子電池尤為重要,。

隨著計算機科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,計算模擬在二次電池研究中扮演著越來越重要的角色,其中基于密度泛函理論的第一性原理計算模擬在分析和解釋鋰,、鈉、鋁離子電池材料電池熱力學(xué)和動力學(xué)問題以及預(yù)測新型電極材料方面作用日益突出,。

第一性原理方法是指不依賴于實驗輸入,，直接從量子力學(xué)的基本原理出發(fā)，直接計算材料物理性質(zhì)的方法,。第一性原理方法的發(fā)展促進了材料科學(xué)研究模式由試錯法向智能設(shè)計的轉(zhuǎn)變,，大大降低了新材料發(fā)展的周期和成本。

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完全自主知識產(chǎn)權(quán)的第一性原理計算軟件ABACUS

作為材料計算最重要的工具,，現(xiàn)在國際上已經(jīng)有很多第一性原理的計算軟件,，包括大家非常熟悉的軟件如VASP, QE, CP2K等等。但遺憾的是目前還缺乏具有國際影響力的國產(chǎn)第一性原理計算軟件,。何力新,、陳默涵等主導(dǎo)，由中科大中國科學(xué)院量子信息重點實驗室與中科大網(wǎng)絡(luò)信息中心及中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心聯(lián)合的研究2007年開始著手,，經(jīng)過十幾年的不斷發(fā)展和完善,，開發(fā)了一款具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的第一性原理計算軟件ABACUS,，目前ABACUS已經(jīng)成為具有功能完善,、計算效率高等特點。

ABACUS擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的一款DFT軟件,，主要針對凝聚態(tài)材料模擬計算,，通過求解Kohn-Sham方程得到材料基態(tài)電荷密度分布，并由此計算目標材料的各項物理性質(zhì),。

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ABACUS程序架構(gòu)圖

ABACUS軟件與當前流行的其他DFT軟件相比,，有一顯著的特征是同時支持平面波（Plane-wave，簡稱PW）和數(shù)值原子軌道（Numerical Atomic Orbitals）兩種基矢量,。其中,，該程序創(chuàng)新性地通過利用溢出函數(shù)（Spillage Function）來構(gòu)造數(shù)值原子軌道,，有效地提高了計算的精度和可移植性，并在復(fù)雜大體系的模擬中表現(xiàn)出高精度和高效率,，可以研究包含數(shù)千原子的系統(tǒng)的物理性質(zhì),。

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ABACUS與VASP對比，計算效率高達VASP的10倍以上

“智算+”API生態(tài)接口為Deep Modeling社區(qū)提供海量算力

DFT軟件理論上可以通過數(shù)值模擬來直接預(yù)測新材料,，但是目前還面臨一些困難,。例如對交換關(guān)聯(lián)泛函近似的方法有許多種，不同的近似對于不同的材料計算精度各有千秋,，若要達到更高精度,，往往意味著更大的計算量。

ABACUS采取了依據(jù)LGPL協(xié)議的開源合作的開發(fā)方式,，加入了Deep Modeling社區(qū),。深勢科技服務(wù)中臺和Lebesgue平臺已經(jīng)通過“智算+”API生態(tài)接口與海量計算資源成功對接，深勢科技服務(wù)中臺能將作業(yè)提交到曙光計算服務(wù)平臺AC.sugon.com,，Lebesgue平臺可以實現(xiàn)監(jiān)控,、調(diào)度作業(yè)和文件上傳下載等功能，成功構(gòu)建了Deep Modeling社區(qū)“新理論+新算法+海量算力”的國內(nèi)第一性原理理論發(fā)展平臺,。

基于機器學(xué)習的深度勢能方法,，可以模擬很多大尺寸、高精度的系統(tǒng),，比如水的相圖（可模擬14中冰相）,、高熵合金、表面化學(xué)反應(yīng),、結(jié)構(gòu)動力學(xué),、燃燒、溫稠密物質(zhì)等,，利用DFT訓(xùn)練數(shù)據(jù),，原子間的相互作用數(shù)可以實現(xiàn)很大的原子尺度模擬，同時加大模擬的時間尺度,。

國內(nèi)第一性原理理論的發(fā)展和應(yīng)用展望

在計算技術(shù)與機器學(xué)習方法飛速發(fā)展的今天,，理論計算有望真正突破科學(xué)邊界，解決接近現(xiàn)實世界的復(fù)雜問題,。第一性原理理論完備,，兼具準確性與靈活性，正釋放出巨大的潛力,。

未來,，ABACUS軟件平臺將會結(jié)合Deep Modeling社區(qū)中的各種開源工具，基于曙光計算服務(wù)海量算力的支撐,，將第一性原理方法打造成為能解決實際問題的軟件工程,，拓展電子,、能源、化工,、生物醫(yī)藥等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,，發(fā)揮更大的科學(xué)和社會價值。


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