新型功能材料的研发是国民经济和国防建设的基础和先导，对技术产业的发展具有至关重要的推动作用。基于高性能计算的材料设计是加速功能材料研发的重要途径，是世界强国持续投入大量人力和物力展开竞争的核心领域。近年来，国内外高性能计算机逐渐向百亿亿次（E级）计算水平迈进，有望实现人类未曾尝试过的大尺度、长时间和高通量的材料计算与设计，为材料科学领域的发展带来前所未有的机遇和挑战。
我国天河超级计算机的性能排名多次荣登世界榜首，标志着我国高性能计算机的研制能力达到了世界领先水平，但我国材料科学计算软件的研发却极度落后。据不完全统计，我国自主知识产权的材料科学计算软件世界占有率不足2%，具有国际影响力的更是寥寥无几，严重制约我国功能材料设计研发的自主创新。为抢占E级材料计算的世界高地，提升我国材料研发的核心竞争力，迫切需要自主研发可高效开展E级材料计算的软件系统，实现材料的大尺度、长时间和高通量的计算与设计。
针对上述产业现状，国家十三五规划高性能计算重点专项明确提出“围绕我国材料科学领域对高通量E级计算的需求，研发自主知识产权的涵盖第一性原理、微观分子动力学和宏观动力学演化的应用软件系统，实现对能源、信息、制造等领域新型材料的创新设和物性研究的E级数值模拟，获得具有显示度的数值模拟成果。”近日，由吉林大学联合中国科学技术大学、北京应用物理与计算数学研究所、中国科学院计算机网络信息中心和中国工程物理研究院核物理与化学研究所共同申报的“面向E级计算的材料科学计算软件系统与应用”已批准立项。项目负责人为吉林大学马琰铭教授。
该项目以吉林大学自主研发的结构搜索与设计软件CALYPSO，中国科学技术大学自主研发的第一性原理计算软件ABACUS、北京应用物理与计算数学研究所自主研发的动力学拟软件MOASP 和MADEP为基础，研制适用于E级计算，集结构搜索与设计、第一性原理计算、微观和宏观动力学模拟为一体的材料科学计算软件系统。软件系统以万核为基准的总体并行效率在60万处理器核规模达到30%以上。项目拟应用软件系统开展十亿亿次量级及以上规模的示范性研究，获得具有显示度的数值模拟成果，充分展示E级计算对基础研究的支撑能力。
为实现上述目标，项目的研究内容主要集中在计算方法发展、软件系统研制和典型示范性验证三个大的方面，致力于发展海量任务条件下负载均衡的结构搜索与设计软件；发展高并行度的哈密顿量矩阵构建和Kohn-Sham 方程求解技术，设计分子动力学模拟的高效并行方案，发展宏观动力学模拟的流-固分域耦合计算方法，实现第一性原理计算和动力学模拟的大规模并行扩展；设计E级计算的软件系统架构，规范和统一数据结构，实现各功能软件的无缝耦合，最终研制出面向E级计算的材料科学计算软件系统。
利用研制的计算软件系统，围绕能源材料领域对E 级计算的典型需求，开展十亿亿次量级及以上规模的多元光伏材料的大规模结构设计和光电转换性质研究，开展炸药热分解、相变、气体产物中化学反应以及壳体动态响应过程的数值模拟等典型性示范研究，设计出2-3种高效、经济、环保的新型多元光伏材料，完成1-2种关键炸药的安全性评估，实际服务于能源材料的研发和重大工程的安全评估，充分显示E级计算对材料科学领域的支撑作用，为国内外同行开展面向E 级计算的材料设计和物性研究提供参考和借鉴。
项目的顺利实施有望产生出一系列具有国际领先水平的材料科学计算方法、算法和技术，主要包括：高并行度负载均衡的材料结构搜索与设计方法、基于数值原子轨道基组的低复杂度Kohn-Sham方程求解算法、分子动力学的时间并行技术等。软件系统研发成功后，将被部署于国家超级计算中心，为我国材料科学领域的同行开展功能材料的创新设计和物性研究供强有的工具，改善我国材料科学计算软件低水平的现状，提升我国功能材料研发的核心竞争力。
项目的实施不仅可以推动我国材料科学计算软件的发展，而且能够为其他领域研发面向E级计算的应用软件系统提供借鉴，对实现国家十三五规划“高性能计算”重点专项预定的总体目标具有重要的推动作用。
作者单位：吉林大学超硬材料国家重点实验室
