漫談并行模擬在材料物理中的應(yīng)用

楊芳 孔偉 周青軍

摘 要 本文介紹了日益流行的并行模擬的發(fā)展現(xiàn)狀，給出了正在發(fā)展的幾個國家級重要并行模擬中心。同時，本文還淺談了并行模擬在材料等離子體物理中的兩個應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 教學(xué)科研 并行模擬 材料物理

1背景

能源科學(xué)、信息科學(xué)并稱為現(xiàn)代科學(xué)的三大產(chǎn)業(yè)支柱。近年來，隨著信息科學(xué)的不斷進步，超級計算機獲得了飛速的發(fā)展，基于高性能計算的材料設(shè)計是加速功能材料研發(fā)的重要途徑，是世界強國持續(xù)投入大量人力和物力展開競爭的核心領(lǐng)域。超級計算機的應(yīng)用，有望實現(xiàn)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(shè)計，最終為實驗制備新型材料提供強有力的支持。國家十三五規(guī)劃高性能計算重點專項明確提出“圍繞我國材料科學(xué)領(lǐng)域?qū)Ω咄縀級計算的需求，研發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的涵蓋第一性原理、微觀分子動力學(xué)和宏觀動力學(xué)演化的應(yīng)用軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)對能源、信息、制造等領(lǐng)域新型材料的E級數(shù)值模擬，獲得具有顯示度的數(shù)值模擬成果”，上述國家層面的規(guī)劃，確認了高性能計算在材料科學(xué)中的重要作用。我國從2009年至今，成功建設(shè)了一批具有國際先進水平的超級計算中心，這包括：國家超級計算天津中心、國家超級計算長沙中心、國家超級計算濟南中心、國家超級計算廣州中心、國家超級計算深圳中心、國家超級計算無錫中心。這些超級計算中心的建立，有力地促進了國內(nèi)各個學(xué)科的發(fā)展，滋生了規(guī)模宏大的衍生產(chǎn)業(yè)群。其中特別值得一提的是，我國首個國家超級計算天津中心已經(jīng)發(fā)展成為技術(shù)積累最為成熟、利用效率最為充分的計算平臺，它已經(jīng)在氣象預(yù)報、衛(wèi)星遙感、生物制藥、石油勘探、航空航天、海洋環(huán)境、大氣監(jiān)控、新材料開發(fā)和設(shè)計等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。

2等離子體在材料科學(xué)中的兩個問題

近年來，直流電弧等離子體大規(guī)模應(yīng)用于新材料合成、加工處理、廢棄物處理等領(lǐng)域。該類等離子體的流動狀態(tài)、流場中的傳熱和輸運特性變化、等離子體與物體的相互作用規(guī)律直接決定了被制備材料的性能。當(dāng)前，等離子體熱加工中存在兩個亟待解決的問題：（1）由于電弧在電極表面附近總是存在無規(guī)則的跳動，同時等離子體射流會繼承電源輸出的波動、聲波震蕩等特征，一般應(yīng)用的直流電弧等離子體大多呈非定常流動狀態(tài)，在局域熱力學(xué)平衡下，物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)、電導(dǎo)率、比熱等性質(zhì)都隨等離子體的溫度和壓力變化，如何獲得理想的物質(zhì)特性與等離子體流場的控制密切相關(guān)，通常情況下，基于經(jīng)驗的實驗操作無法形成具有普遍意義的流場控制規(guī)律，同時也無法揭示其內(nèi)在物理機制；（2）電弧等離子體射流中含有電離、解離、激發(fā)態(tài)等高活性成分，這使得在材料的加熱工藝中，除了與被加熱物體間常規(guī)的熱交換機制以外，還存在電離、解離組分在材料表面的復(fù)合反應(yīng)熱交換以及退激換熱等過程，為了分析并改善被加工材料的性能，復(fù)雜熱交換過程日漸受到重視。在以往的研究中，受限于大規(guī)模并行計算資源匱乏，大部分研究人員利用小型計算機對局域空間的物理過程進行了初步分析，獲得了一定的研究成果，但距離實際應(yīng)用還有很大的差距。為了獲得符合實驗操作的直流電弧等離子體控制方案，同時也為了分析改善被制備材料的物理化學(xué)性能，學(xué)界和工業(yè)界開始尋求長時間、大空間尺度的動力學(xué)模擬對上述問題加以解決。

3并行模擬在我校材料物理中的應(yīng)用現(xiàn)狀

材料科學(xué)的發(fā)展正在逐漸摒棄粗糙加工、機械重復(fù)等傳統(tǒng)手段，高精度、海量數(shù)據(jù)處理、模擬與實驗相結(jié)合是未來的發(fā)展趨勢。并行模擬技術(shù)能夠極大的促進我校材料學(xué)科中等離子體加工技術(shù)的應(yīng)用，有望獲得一系列具有實際指導(dǎo)意義的應(yīng)用成果，推動更多研究人員利用超級計算機解決長期困擾的計算緩慢、模擬時空尺度有限、分辨率不高等一系列問題（從事應(yīng)用模擬的其它研究人員，可以利用大規(guī)模并行機器高效的從事各項研究工作）。材料學(xué)科的發(fā)展需要新的增長點，國內(nèi)重點研究單位已經(jīng)開始具體行動并得到了國家層面的認可，例如吉林大學(xué)超硬材料國家重點實驗室聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所、中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心和中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究聯(lián)合申請的國家重點研發(fā)計劃高性能計算重點專項“面向E級計算的材料科學(xué)計算軟件系統(tǒng)與應(yīng)用”已經(jīng)于2016年10月啟動。反觀我校材料物理專業(yè)，相關(guān)的模擬研究工作依然主要局限于小型商業(yè)并行計算機的使用，在國家超級計算中心的利用方面極為貧乏，某種程度上，這制約了我校材料物理專業(yè)的進一步的發(fā)展。作者有充足的理由認為并行模擬技術(shù)并將帶動我校相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。本人已經(jīng)在國家超級計算中心開展了相關(guān)模擬工作，相信會有越來越多的科研工作者利用大規(guī)模并行機開展研究任務(wù)。

4結(jié)論

并行模擬技術(shù)已經(jīng)在很多高校和科研院所獲得了應(yīng)用，相關(guān)的科技成果也不斷涌現(xiàn)，本文通過分析當(dāng)前我國并行發(fā)展以及我校的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了大規(guī)模模擬技術(shù)是提高我校材料物理學(xué)科發(fā)展的一個可選途徑。