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2025年1月
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發(fā)布時間: 2022-01-27
歷史上，每次新材料的發(fā)現(xiàn)都標(biāo)志著社會文明進化。如今，環(huán)境污染和化石能源匱乏的問題日益顯著，為了人類的可持續(xù)發(fā)展，尋求開發(fā)新能源和可再生資源迫在眉睫。
第一性原理的計算軟件加速新能源的探索
太陽能和風(fēng)能等新型能源雖然便利清潔，但受時空分布不均勻的特點限制，不能廣泛使用；這使得開發(fā)具有高能量密度和大功率密度的新型金屬離子電池尤為重要。
隨著計算機科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,計算模擬在二次電池研究中扮演著越來越重要的角色,其中基于密度泛函理論的第一性原理計算模擬在分析和解釋鋰、鈉、鋁離子電池材料電池?zé)崃W(xué)和動力學(xué)問題以及預(yù)測新型電極材料方面作用日益突出。
第一性原理方法是指不依賴于實驗輸入，直接從量子力學(xué)的基本原理出發(fā)，直接計算材料物理性質(zhì)的方法。第一性原理方法的發(fā)展促進了材料科學(xué)研究模式由試錯法向智能設(shè)計的轉(zhuǎn)變，大大降低了新材料發(fā)展的周期和成本。
完全自主知識產(chǎn)權(quán)的第一性原理計算軟件ABACUS
作為材料計算最重要的工具，現(xiàn)在國際上已經(jīng)有很多第一性原理的計算軟件，包括大家非常熟悉的軟件如VASP, QE, CP2K等等。但遺憾的是目前還缺乏具有國際影響力的國產(chǎn)第一性原理計算軟件。何力新、陳默涵等主導(dǎo)，由中科大中國科學(xué)院量子信息重點實驗室與中科大網(wǎng)絡(luò)信息中心及中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心聯(lián)合的研究2007年開始著手，經(jīng)過十幾年的不斷發(fā)展和完善，開發(fā)了一款具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的第一性原理計算軟件ABACUS，目前ABACUS已經(jīng)成為具有功能完善、計算效率高等特點。
ABACUS擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的一款DFT軟件，主要針對凝聚態(tài)材料模擬計算，通過求解Kohn-Sham方程得到材料基態(tài)電荷密度分布，并由此計算目標(biāo)材料的各項物理性質(zhì)。
ABACUS程序架構(gòu)圖
ABACUS軟件與當(dāng)前流行的其他DFT軟件相比，有一顯著的特征是同時支持平面波（Plane-wave，簡稱PW）和數(shù)值原子軌道（Numerical Atomic Orbitals）兩種基矢量。其中，該程序創(chuàng)新性地通過利用溢出函數(shù)（Spillage Function）來構(gòu)造數(shù)值原子軌道，有效地提高了計算的精度和可移植性，并在復(fù)雜大體系的模擬中表現(xiàn)出高精度和高效率，可以研究包含數(shù)千原子的系統(tǒng)的物理性質(zhì)。
ABACUS與VASP對比，計算效率高達VASP的10倍以上
“智算+”API生態(tài)接口為Deep Modeling社區(qū)提供海量算力
DFT軟件理論上可以通過數(shù)值模擬來直接預(yù)測新材料，但是目前還面臨一些困難。例如對交換關(guān)聯(lián)泛函近似的方法有許多種，不同的近似對于不同的材料計算精度各有千秋，若要達到更高精度，往往意味著更大的計算量。
ABACUS采取了依據(jù)LGPL協(xié)議的開源合作的開發(fā)方式，加入了Deep Modeling社區(qū)。深勢科技服務(wù)中臺和Lebesgue平臺已經(jīng)通過“智算+”API生態(tài)接口與海量計算資源成功對接，深勢科技服務(wù)中臺能將作業(yè)提交到曙光計算服務(wù)平臺AC.sugon.com，Lebesgue平臺可以實現(xiàn)監(jiān)控、調(diào)度作業(yè)和文件上傳下載等功能，成功構(gòu)建了Deep Modeling社區(qū)“新理論+新算法+海量算力”的國內(nèi)第一性原理理論發(fā)展平臺。
基于機器學(xué)習(xí)的深度勢能方法，可以模擬很多大尺寸、高精度的系統(tǒng)，比如水的相圖（可模擬14中冰相）、高熵合金、表面化學(xué)反應(yīng)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、燃燒、溫稠密物質(zhì)等，利用DFT訓(xùn)練數(shù)據(jù)，原子間的相互作用數(shù)可以實現(xiàn)很大的原子尺度模擬，同時加大模擬的時間尺度。
國內(nèi)第一性原理理論的發(fā)展和應(yīng)用展望
在計算技術(shù)與機器學(xué)習(xí)方法飛速發(fā)展的今天，理論計算有望真正突破科學(xué)邊界，解決接近現(xiàn)實世界的復(fù)雜問題。第一性原理理論完備，兼具準(zhǔn)確性與靈活性，正釋放出巨大的潛力。
未來，ABACUS軟件平臺將會結(jié)合Deep Modeling社區(qū)中的各種開源工具，基于曙光計算服務(wù)海量算力的支撐，將第一性原理方法打造成為能解決實際問題的軟件工程，拓展電子、能源、化工、生物醫(yī)藥等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，發(fā)揮更大的科學(xué)和社會價值。
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