新型功能材料的研發是國民經濟和國防建設的基礎和先導，對技術產業的發展具有至關重要的推動作用。基於高性能計算的材料設計是加速功能材料研發的重要途徑，是世界強國持續投入大量人力和物力展開競爭的核心領域。近年來，國內外高性能計算機逐漸向百億億次（E級）計算水平邁進，有望實現人類未曾嘗試過的大尺度、長時間和高通量的材料計算與設計，為材料科學領域的發展帶來前所未有的機遇和挑戰。
我國天河超級計算機的性能排名多次榮登世界榜首，標誌著我國高性能計算機的研製能力達到了世界領先水平，但我國材料科學計算軟體的研發卻極度落後。據不完全統計，我國自主智慧財產權的材料科學計算軟體世界佔有率不足2%，具有國際影響力的更是寥寥無幾，嚴重製約我國功能材料設計研發的自主創新。為搶佔E級材料計算的世界高地，提升我國材料研發的核心競爭力，迫切需要自主研發可高效開展E級材料計算的軟體系統，實現材料的大尺度、長時間和高通量的計算與設計。
針對上述產業現狀，國家十三五規劃高性能計算重點專項明確提出「圍繞我國材料科學領域對高通量E級計算的需求，研發自主智慧財產權的涵蓋第一性原理、微觀分子動力學和宏觀動力學演化的應用軟體系統，實現對能源、信息、製造等領域新型材料的創新設和物性研究的E級數值模擬，獲得具有顯示度的數值模擬成果。」近日，由吉林大學聯合中國科學技術大學、北京應用物理與計算數學研究所、中國科學院計算機網絡信息中心和中國工程物理研究院核物理與化學研究所共同申報的「面向E級計算的材料科學計算軟體系統與應用」已批准立項。項目負責人為吉林大學馬琰銘教授。
該項目以吉林大學自主研發的結構搜索與設計軟體CALYPSO，中國科學技術大學自主研發的第一性原理計算軟體ABACUS、北京應用物理與計算數學研究所自主研發的動力學擬軟體MOASP 和MADEP為基礎，研製適用於E級計算，集結構搜索與設計、第一性原理計算、微觀和宏觀動力學模擬為一體的材料科學計算軟體系統。軟體系統以萬核為基準的總體並行效率在60萬處理器核規模達到30%以上。項目擬應用軟體系統開展十億億次量級及以上規模的示範性研究，獲得具有顯示度的數值模擬成果，充分展示E級計算對基礎研究的支撐能力。
為實現上述目標，項目的研究內容主要集中在計算方法發展、軟體系統研製和典型示範性驗證三個大的方面，致力於發展海量任務條件下負載均衡的結構搜索與設計軟體；發展高並行度的哈密頓量矩陣構建和Kohn-Sham 方程求解技術，設計分子動力學模擬的高效並行方案，發展宏觀動力學模擬的流-固分域耦合計算方法，實現第一性原理計算和動力學模擬的大規模並行擴展；設計E級計算的軟體系統架構，規範和統一數據結構，實現各功能軟體的無縫耦合，最終研製出面向E級計算的材料科學計算軟體系統。
利用研製的計算軟體系統，圍繞能源材料領域對E 級計算的典型需求，開展十億億次量級及以上規模的多元光伏材料的大規模結構設計和光電轉換性質研究，開展炸藥熱分解、相變、氣體產物中化學反應以及殼體動態響應過程的數值模擬等典型性示範研究，設計出2-3種高效、經濟、環保的新型多元光伏材料，完成1-2種關鍵炸藥的安全性評估，實際服務於能源材料的研發和重大工程的安全評估，充分顯示E級計算對材料科學領域的支撐作用，為國內外同行開展面向E 級計算的材料設計和物性研究提供參考和借鑑。
項目的順利實施有望產生出一系列具有國際領先水平的材料科學計算方法、算法和技術，主要包括：高並行度負載均衡的材料結構搜索與設計方法、基於數值原子軌道基組的低複雜度Kohn-Sham方程求解算法、分子動力學的時間並行技術等。軟體系統研發成功後，將被部署於國家超級計算中心，為我國材料科學領域的同行開展功能材料的創新設計和物性研究供強有的工具，改善我國材料科學計算軟體低水平的現狀，提升我國功能材料研發的核心競爭力。
項目的實施不僅可以推動我國材料科學計算軟體的發展，而且能夠為其他領域研發麵向E級計算的應用軟體系統提供借鑑，對實現國家十三五規劃「高性能計算」重點專項預定的總體目標具有重要的推動作用。
作者單位：吉林大學超硬材料國家重點實驗室