戈登貝爾獎(jiǎng)（ACM Gordon Bell Prize）設(shè)立于 1987年，由美國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)頒發(fā)，被稱為超算界的「諾貝爾獎(jiǎng)」。該獎(jiǎng)項(xiàng)每年頒發(fā)一次，用以表彰高性能計(jì)算領(lǐng)域取得的杰出成就。獎(jiǎng)金 1 萬美元，由高性能和并行計(jì)算領(lǐng)域先驅(qū)戈登·貝爾提供。

近日，在全球超級(jí)計(jì)算大會(huì) SC23 上，2023年ACM 戈登貝爾獎(jiǎng)授予了美國(guó)和印度研究人員組成的 8 人國(guó)際團(tuán)隊(duì)，他們實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模量子精度的材料模擬。相關(guān)項(xiàng)目名稱為「量子精度的大規(guī)模材料建模：金屬合金中準(zhǔn)晶體和相互作用擴(kuò)展缺陷的從頭計(jì)算模擬」。

團(tuán)隊(duì)成員分別來自密歇根大學(xué)、橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、以及印度科學(xué)研究所（班加羅爾）。

獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)成員。

此前 2021 年戈登貝爾獎(jiǎng)授予 14 人組成的中國(guó)超算應(yīng)用團(tuán)隊(duì)，成員來自之江實(shí)驗(yàn)室及國(guó)家超級(jí)計(jì)算無錫中心、清華大學(xué)、上海量子科學(xué)研究中心，以表彰該團(tuán)隊(duì)基于我國(guó)新一代神威超級(jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用「超大規(guī)模量子隨機(jī)電路實(shí)時(shí)模擬」。再往前，中國(guó)超算應(yīng)用團(tuán)隊(duì)還曾在 2016 年、2017 年連續(xù)兩年摘得戈登貝爾獎(jiǎng)。

研究概覽

我們知道，分子動(dòng)力學(xué)是使用計(jì)算機(jī)模擬來更好地理解系統(tǒng)內(nèi)原子和分子運(yùn)動(dòng)的過程。Ab initio（拉丁語，從頭計(jì)算）是分子動(dòng)力學(xué)的一個(gè)分支， 該技術(shù)已被證明對(duì)物理和化學(xué)中的重要問題特別有效，包括更好地理解微觀機(jī)制、獲得材料科學(xué)的全新洞見以及證明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。

論文地址：https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3581784.3627037

由密歇根大學(xué)機(jī)械工程、材料科學(xué)與工程教授 Vikram Gavini 領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)研究使用了美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 Frontier（1.14 exaflop HPE Cray EX超級(jí)計(jì)算機(jī)），通過薛定諤方程采用第一性原理方法進(jìn)行模擬，該方程描述微觀系統(tǒng)，包含它們的概率性質(zhì)。據(jù)介紹，其結(jié)果可用于幫助設(shè)計(jì)新合金的候選材料，并推動(dòng)藥物發(fā)現(xiàn)等其他計(jì)算設(shè)計(jì)工作。

Gavini 的團(tuán)隊(duì)在 Frontier 和 Summit 超級(jí)計(jì)算機(jī)上使用了集成計(jì)算框架，以模擬由近 7.5 萬原子組成的鎂系統(tǒng)中的錯(cuò)位或缺陷。鎂合金是輕質(zhì)合金的有希望的候選者，但鎂原子結(jié)構(gòu)中的空缺錯(cuò)位可能會(huì)導(dǎo)致脆性和開裂。了解鎂合金中的錯(cuò)位可以為工業(yè)帶來更輕、更靈活的合金。

本文與以往工作的比較。

該團(tuán)隊(duì)也在使用美國(guó)國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心的 Perlmutter 超算來研究鐿鎘合金中準(zhǔn)晶體（一種有序但非周期性的結(jié)構(gòu)）的穩(wěn)定性。

這些計(jì)算依賴于密度泛函理論，這是一種計(jì)算材料原子和電子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)方法，并使用機(jī)器學(xué)習(xí)來達(dá)到接近量子多體計(jì)算所提供的精度水平。他們使用了 Frontier 的 8000 個(gè)節(jié)點(diǎn)，最大計(jì)算量達(dá)到 659.7 petaflops。

「隨著我們努力實(shí)現(xiàn)更高的準(zhǔn)確性，可利用的計(jì)算系統(tǒng)數(shù)量急劇下降，」Gavini 表示?！肝覀兪褂幂^小系統(tǒng)上的量子多體計(jì)算結(jié)果，并使用機(jī)器學(xué)習(xí)來推斷電子的普遍本構(gòu)關(guān)系，該關(guān)系可用于更大的密度泛函理論計(jì)算。結(jié)合這些方法，我們才能夠利用像 Frontier 這樣的大型機(jī)器的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)接近量子精度?！?/span>

本文方法概覽，在量子精度上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模材料模擬。

這項(xiàng)研究是 Frontier 團(tuán)隊(duì)十年來努力的最新里程碑。此前，2019 年的一項(xiàng)研究使用 Summit 模擬了 1 萬余個(gè)鎂原子，也獲得了戈登貝爾獎(jiǎng)提名。

合金的生產(chǎn)過程有關(guān)金屬的熔化與混合。在凝固過程中形成的缺陷可能有助或有害于材料性能。材料的原子結(jié)構(gòu)在這些線缺陷（通常稱為錯(cuò)位）的行為中起著至關(guān)重要的作用。

像鋁這樣的延展性金屬受益于原子結(jié)構(gòu)，允許金屬適應(yīng)錯(cuò)位及其運(yùn)動(dòng)。鎂的原子結(jié)構(gòu)無法輕易容納錯(cuò)位，使其性質(zhì)更脆。

「在適當(dāng)?shù)那闆r下，這些缺陷可以創(chuàng)造出前所未有的特性，」Gavini  介紹道?！笧槭裁磿?huì)形成這些缺陷？我們?nèi)绾卫眠@些缺陷來帶來所需的而不是不良的特性？在此前的研究中，我們探索了塊狀鎂中單個(gè)錯(cuò)位的能量。在這項(xiàng)研究中，我們研究了鎂合金中相互作用的擴(kuò)展缺陷?！?/span>

其結(jié)果得出了這種結(jié)構(gòu)迄今為止最詳細(xì)的圖像，其精度接近量子精度。Gavini 希望將這些方法應(yīng)用于廣泛的研究。

「如果我們能夠以接近量子精度進(jìn)行這些大規(guī)模計(jì)算，就意味著我們可以通過計(jì)算設(shè)計(jì)來設(shè)計(jì)更好的材料，探索用于藥物發(fā)現(xiàn)的化合物，以新的水平了解納米粒子和材料系統(tǒng)的特性細(xì)節(jié)，」Gavini  說道?！溉绻麤]有百億億次計(jì)算和 Frontier，我們將無法進(jìn)行這些類型的計(jì)算?，F(xiàn)在我們知道了如何去做，我們可以廣泛應(yīng)用這些方法來探索其他問題?！?/span>

據(jù)研究團(tuán)隊(duì)介紹，該方法可以在許多科學(xué)領(lǐng)域廣泛使用，并回答從航空航天到醫(yī)學(xué)等數(shù)十年來一直存在的一些具有挑戰(zhàn)性的問題。