大數(shù)據(jù)+超算，“算”出未來新材料

陳曦

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和計(jì)算能力的提高，計(jì)算材料學(xué)快速興起，推動(dòng)了材料研發(fā)由“經(jīng)驗(yàn)+試錯(cuò)”的模式向計(jì)算驅(qū)動(dòng)模式轉(zhuǎn)變。計(jì)算驅(qū)動(dòng)模式是現(xiàn)代材料研發(fā)的重要手段，可以有效提升材料研發(fā)的效率并降低研發(fā)成本。

“公司和海河實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的高比能鋰離子動(dòng)力電池項(xiàng)目，應(yīng)用于電動(dòng)汽車，續(xù)航里程可達(dá)1000公里。研發(fā)中所選材料需要計(jì)算來優(yōu)化設(shè)計(jì)、改善性能，電池的電化學(xué)仿真結(jié)構(gòu)和熱仿真方面，也需要模擬計(jì)算。平時(shí)需要三四天才能算完，應(yīng)用超級(jí)計(jì)算機(jī)，一天就算完了?！碧旖蚴薪萃?dòng)力工業(yè)有限公司研究院副院長(zhǎng)馬華在日前舉行的“計(jì)算—數(shù)據(jù)—智能融合驅(qū)動(dòng)的材料創(chuàng)新研究高端論壇”上對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者說。

在此次論壇上，專家、學(xué)者共同探討了在新一代信息技術(shù)創(chuàng)新變革驅(qū)動(dòng)下，如何探索發(fā)展計(jì)算—數(shù)據(jù)—智能融合驅(qū)動(dòng)的材料創(chuàng)新研究范式，變革傳統(tǒng)材料研究模式。

隨著新一輪信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、超級(jí)計(jì)算等信息技術(shù)不斷賦能各類行業(yè)，帶動(dòng)了行業(yè)模式的深度變革。

新材料的設(shè)計(jì)和研發(fā)越來越依賴超級(jí)計(jì)算機(jī)，材料的模擬計(jì)算已經(jīng)成為超級(jí)計(jì)算主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。“信息技術(shù)與新材料深度融合，共同推動(dòng)制造業(yè)向高端化發(fā)展?！眹?guó)家超算天津中心黨組書記孟祥飛說，由于材料是一個(gè)復(fù)雜的高維多尺度耦合系統(tǒng)，現(xiàn)有的基礎(chǔ)理論還不能準(zhǔn)確地描述材料成分—組織/結(jié)構(gòu)—性能—服役行為的構(gòu)效關(guān)系，一些深層次的機(jī)理還不清楚，導(dǎo)致材料研發(fā)長(zhǎng)期基于經(jīng)驗(yàn)，依靠“試錯(cuò)法”推進(jìn)。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和計(jì)算能力的提高，計(jì)算材料學(xué)快速興起，推動(dòng)了材料研發(fā)由“經(jīng)驗(yàn)+試錯(cuò)”的模式向計(jì)算驅(qū)動(dòng)模式轉(zhuǎn)變。計(jì)算驅(qū)動(dòng)模式是現(xiàn)代材料研發(fā)的重要手段，可以有效提升材料研發(fā)的效率并降低研發(fā)成本。

“在最近十多年，隨著材料計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的爆炸式增長(zhǎng)，以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)和智能驅(qū)動(dòng)的材料研發(fā)分析和性質(zhì)預(yù)測(cè)已成為材料研究的新手段?！泵舷轱w介紹。

在美國(guó)、歐洲等國(guó)家和地區(qū)，超級(jí)計(jì)算機(jī)在材料計(jì)算與數(shù)據(jù)庫建設(shè)方面起步早，已經(jīng)取得了一定成效。比如由美國(guó)能源部主導(dǎo)建設(shè)的在線開源材料計(jì)算與數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，可有效加速新材料的篩選；美國(guó)杜克大學(xué)建立的AFLOW數(shù)據(jù)庫可提供基本的材料搜索、分析等服務(wù)，并集成了材料性質(zhì)預(yù)測(cè)的機(jī)器學(xué)習(xí)模塊。

國(guó)內(nèi)也有不少科研團(tuán)隊(duì)和公司正在開展高通量計(jì)算與材料數(shù)據(jù)挖掘等工作，國(guó)家超級(jí)計(jì)算天津中心研發(fā)了中國(guó)材料基因工程高通量計(jì)算平臺(tái)CNMGE，該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了催化等多種材料的自動(dòng)高通量計(jì)算以及多元多相復(fù)合材料力學(xué)行為的多尺度計(jì)算。

在新一代信息技術(shù)創(chuàng)新變革驅(qū)動(dòng)下，探索發(fā)展計(jì)算—數(shù)據(jù)—智能融合驅(qū)動(dòng)的材料創(chuàng)新研究新范式，變革傳統(tǒng)材料研究模式尤為重要。

特別是要依托我國(guó)新一代百億億次超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的計(jì)算材料學(xué)與新興的人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)相融合，通過構(gòu)建高通量、多尺度計(jì)算與高精度專題數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)研究設(shè)施平臺(tái)，開發(fā)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的材料快速性能預(yù)測(cè)方法及模型，從而提高能源、化工、電子、環(huán)境等領(lǐng)域新材料的“綠色”創(chuàng)造與制造研發(fā)效率。

以近年來國(guó)際材料領(lǐng)域興起的前沿技術(shù)材料基因工程為例，它包括3種模式：一是高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)，通過高通量實(shí)驗(yàn)加速新材料研發(fā)；二是高通量計(jì)算，通過理論計(jì)算，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；三是數(shù)據(jù)與智能驅(qū)動(dòng)，通過對(duì)材料領(lǐng)域大量數(shù)據(jù)（即材料數(shù)據(jù)庫）的挖掘和深度學(xué)習(xí)建立模型，預(yù)測(cè)候選材料，大幅降低實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)成本?！霸诓牧匣蚬こ趟枷氲囊I(lǐng)下，國(guó)內(nèi)外也涌現(xiàn)出一批計(jì)算、數(shù)據(jù)與智能相結(jié)合的研究成果?！泵舷轱w說。

“首創(chuàng)性、獨(dú)創(chuàng)性的科學(xué)研究不僅需要快速驗(yàn)證，更需要頻繁試錯(cuò)、迭代，找準(zhǔn)新的方向，這就更需要算法和算力的支撐?！蔽镔|(zhì)綠色創(chuàng)造與制造海河實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任、中國(guó)科學(xué)院院士、南開大學(xué)副校長(zhǎng)陳軍表示。

由此可見，超級(jí)計(jì)算平臺(tái)作為“超級(jí)算力供給+大規(guī)模數(shù)據(jù)支撐+系統(tǒng)性算法集成”的融合載體，在新材料創(chuàng)新研發(fā)方面正發(fā)揮著日益強(qiáng)勁的驅(qū)動(dòng)作用，特別是伴隨天河等新一代超級(jí)計(jì)算機(jī)的研制成功，通過將高性能計(jì)算方法、機(jī)器學(xué)習(xí)方法與第一性原理計(jì)算方法相融合，將實(shí)現(xiàn)更高精度、更大尺度的分子層面模擬計(jì)算以及開展上萬級(jí)任務(wù)并發(fā)的高通量材料篩選等工作。因此，計(jì)算和智能技術(shù)融合將會(huì)為新材料創(chuàng)新研發(fā)帶來新機(jī)遇、新發(fā)展。