戈登貝爾獎（ACM Gordon Bell Prize）設(shè)立于 1987年，由美國計算機學(xué)會頒發(fā)，被稱為超算界的「諾貝爾獎」。該獎項每年頒發(fā)一次，用以表彰高性能計算領(lǐng)域取得的杰出成就。獎金 1 萬美元，由高性能和并行計算領(lǐng)域先驅(qū)戈登·貝爾提供。

近日，在全球超級計算大會 SC23 上，2023年ACM 戈登貝爾獎授予了美國和印度研究人員組成的 8 人國際團隊，他們實現(xiàn)了大規(guī)模量子精度的材料模擬。相關(guān)項目名稱為「量子精度的大規(guī)模材料建模：金屬合金中準(zhǔn)晶體和相互作用擴展缺陷的從頭計算模擬」。

團隊成員分別來自密歇根大學(xué)、橡樹嶺國家實驗室、以及印度科學(xué)研究所（班加羅爾）。

獲獎團隊成員。

此前 2021 年戈登貝爾獎授予 14 人組成的中國超算應(yīng)用團隊，成員來自之江實驗室及國家超級計算無錫中心、清華大學(xué)、上海量子科學(xué)研究中心，以表彰該團隊基于我國新一代神威超級計算機的應(yīng)用「超大規(guī)模量子隨機電路實時模擬」。再往前，中國超算應(yīng)用團隊還曾在 2016 年、2017 年連續(xù)兩年摘得戈登貝爾獎。

研究概覽

我們知道，分子動力學(xué)是使用計算機模擬來更好地理解系統(tǒng)內(nèi)原子和分子運動的過程。Ab initio（拉丁語，從頭計算）是分子動力學(xué)的一個分支， 該技術(shù)已被證明對物理和化學(xué)中的重要問題特別有效，包括更好地理解微觀機制、獲得材料科學(xué)的全新洞見以及證明實驗數(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)機械工程、材料科學(xué)與工程教授 Vikram Gavini 領(lǐng)導(dǎo)的這項研究使用了美國能源部橡樹嶺國家實驗室的 Frontier（1.14 exaflop HPE Cray EX超級計算機），通過薛定諤方程采用第一性原理方法進行模擬，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)計新合金的候選材料，并推動藥物發(fā)現(xiàn)等其他計算設(shè)計工作。

Gavini 的團隊在 Frontier 和 Summit 超級計算機上使用了集成計算框架，以模擬由近 7.5 萬原子組成的鎂系統(tǒng)中的錯位或缺陷。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)中的空缺錯位可能會導(dǎo)致脆性和開裂。了解鎂合金中的錯位可以為工業(yè)帶來更輕、更靈活的合金。

本文與以往工作的比較。

該團隊也在使用美國國家能源研究科學(xué)計算中心的 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。

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

「隨著我們努力實現(xiàn)更高的準(zhǔn)確性，可利用的計算系統(tǒng)數(shù)量急劇下降，」Gavini 表示。「我們使用較小系統(tǒng)上的量子多體計算結(jié)果，并使用機器學(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算。結(jié)合這些方法，我們才能夠利用像 Frontier 這樣的大型機器的優(yōu)勢，同時接近量子精度?！?/span>

本文方法概覽，在量子精度上實現(xiàn)大規(guī)模材料模擬。

這項研究是 Frontier 團隊十年來努力的最新里程碑。此前，2019 年的一項研究使用 Summit 模擬了 1 萬余個鎂原子，也獲得了戈登貝爾獎提名。

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)錯位及其運動。鎂的原子結(jié)構(gòu)無法輕易容納錯位，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。「為什么會形成這些缺陷？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錯位的能量。在這項研究中，我們研究了鎂合金中相互作用的擴展缺陷?！?/span>

其結(jié)果得出了這種結(jié)構(gòu)迄今為止最詳細的圖像，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行這些大規(guī)模計算，就意味著我們可以通過計算設(shè)計來設(shè)計更好的材料，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)的特性細節(jié)，」Gavini  說道?！溉绻麤]有百億億次計算和 Frontier，我們將無法進行這些類型的計算?，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。」

據(jù)研究團隊介紹，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。