大數(shù)據(jù)+超算，“算”出未來新材料

陳曦

隨著計算機的發(fā)展和計算能力的提高，計算材料學(xué)快速興起，推動了材料研發(fā)由“經(jīng)驗+試錯”的模式向計算驅(qū)動模式轉(zhuǎn)變。計算驅(qū)動模式是現(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。

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

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)動下，如何探索發(fā)展計算—數(shù)據(jù)—智能融合驅(qū)動的材料創(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，云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、超級計算等信息技術(shù)不斷賦能各類行業(yè)，帶動了行業(yè)模式的深度變革。

新材料的設(shè)計和研發(fā)越來越依賴超級計算機，材料的模擬計算已經(jīng)成為超級計算主要應(yīng)用領(lǐng)域之一?！靶畔⒓夹g(shù)與新材料深度融合，共同推動制造業(yè)向高端化發(fā)展?！眹页闾旖蛑行狞h組書記孟祥飛說，由于材料是一個復(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，一些深層次的機理還不清楚，導(dǎo)致材料研發(fā)長期基于經(jīng)驗，依靠“試錯法”推進(jìn)。隨著計算機的發(fā)展和計算能力的提高，計算材料學(xué)快速興起，推動了材料研發(fā)由“經(jīng)驗+試錯”的模式向計算驅(qū)動模式轉(zhuǎn)變。計算驅(qū)動模式是現(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，隨著材料計算數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)的爆炸式增長，以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)和智能驅(qū)動的材料研發(fā)分析和性質(zhì)預(yù)測已成為材料研究的新手段?！泵舷轱w介紹。

在美國、歐洲等國家和地區(qū)，超級計算機在材料計算與數(shù)據(jù)庫建設(shè)方面起步早，已經(jīng)取得了一定成效。比如由美國能源部主導(dǎo)建設(shè)的在線開源材料計算與數(shù)據(jù)庫平臺，可有效加速新材料的篩選；美國杜克大學(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)測的機器學(xué)習(xí)模塊。

國內(nèi)也有不少科研團(tuán)隊和公司正在開展高通量計算與材料數(shù)據(jù)挖掘等工作，國家超級計算天津中心研發(fā)了中國材料基因工程高通量計算平臺CNMGE，該平臺實現(xiàn)了催化等多種材料的自動高通量計算以及多元多相復(fù)合材料力學(xué)行為的多尺度計算。

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

特別是要依托我國新一代百億億次超級計算系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的計算材料學(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、多尺度計算與高精度專題數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)研究設(shè)施平臺，開發(fā)基于機器學(xué)習(xí)的材料快速性能預(yù)測方法及模型，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：一是高通量實驗技術(shù)，通過高通量實驗加速新材料研發(fā)；二是高通量計算，通過理論計算，減少實驗次數(shù)，再進(jìn)行實驗驗證；三是數(shù)據(jù)與智能驅(qū)動，通過對材料領(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)測候選材料，大幅降低實驗試錯成本?！霸诓牧匣蚬こ趟枷氲囊I(lǐng)下，國內(nèi)外也涌現(xiàn)出一批計算、數(shù)據(jù)與智能相結(jié)合的研究成果。”孟祥飛說。

“首創(chuàng)性、獨創(chuàng)性的科學(xué)研究不僅需要快速驗證，更需要頻繁試錯、迭代，找準(zhǔn)新的方向，這就更需要算法和算力的支撐。”物質(zhì)綠色創(chuàng)造與制造海河實驗室常務(wù)副主任、中國科學(xué)院院士、南開大學(xué)副校長陳軍表示。

由此可見，超級計算平臺作為“超級算力供給+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)揮著日益強勁的驅(qū)動作用，特別是伴隨天河等新一代超級計算機的研制成功，通過將高性能計算方法、機器學(xué)習(xí)方法與第一性原理計算方法相融合，將實現(xiàn)更高精度、更大尺度的分子層面模擬計算以及開展上萬級任務(wù)并發(fā)的高通量材料篩選等工作。因此，計算和智能技術(shù)融合將會為新材料創(chuàng)新研發(fā)帶來新機遇、新發(fā)展。