以計算之光，照亮材料研發(fā)之路
——記中國科學院半導(dǎo)體研究所研究員汪林望

張方方 劉玉杰

先進材料是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的先導(dǎo)和高端制造業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)，是國際高技術(shù)競爭的關(guān)鍵領(lǐng)域，是未來工業(yè)發(fā)展的重要支撐點。所謂“一代材料，一代技術(shù)”，隨著新材料的研發(fā)更迭，一個不得不面對的重要問題也擺在研究者面前，那就是：大多數(shù)新材料研發(fā)仍在沿用傳統(tǒng)的實驗試錯方法。

“很難想象打造一架飛機、一枚火箭，靠的是感覺和經(jīng)驗。”中國科學院半導(dǎo)體研究所資深研究員汪林望表示，“大多數(shù)人沒有意識到，地球上身邊所見的一切物質(zhì)及其性質(zhì)，都受到量子力學的控制，都可以通過計算來理解與預(yù)測。沒有計算，工業(yè)生產(chǎn)寸步難行。”

汪林望的研究離不開3個關(guān)鍵詞：算法、超算、人工智能。他致力于通過第一性原理計算引領(lǐng)材料研究走向理性設(shè)計的康莊大道。“我們利用密度泛函理論，把原有的多體理論變成一個更容易求解的單體理論；再采用精巧的算法，將巨大的計算量降低十倍、百倍。”對他來說，能拿得出手的“寶貝”算法很多，但如何把計算搬到超級計算機上，是打破計算瓶頸的關(guān)鍵所在。汪林望經(jīng)歷過矢量計算、并行計算、異構(gòu)加速計算等多次變革，他感受到超算的發(fā)展是迅速的，每一次硬件改變都要對軟件進行相應(yīng)的優(yōu)化，最近一次變動，是圖形處理器（GPU）的引入。而GPU的興起，得益于另一股鋪天蓋地涌來的風潮：人工智能（AI）。

汪林望領(lǐng)銜開發(fā)的“PWmat”是世界上最早適配到GPU上的平面波密度泛函軟件之一。到2017年前后，他又開始涉足機器學習領(lǐng)域，如今更是領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)了一個機器學習平臺。“機器學習力場的開發(fā)，可以在很多問題上大大加速我們做大規(guī)模分子動力學模擬的速度。但這個領(lǐng)域還處在起步階段，新方法層出不窮，它的局限性我們也不完全了解。擁抱新方法不等于盲目跟風炒作，一窩蜂涌上不利于長期穩(wěn)健的發(fā)展。”保持清醒，堅持創(chuàng)新，這才是汪林望的行走準則。

卅載求索，結(jié)緣物理

時至今日，汪林望都能清晰地記起年少時在《科學畫報》中看到的一組圖畫：“當一條鯨魚在快速游動時，它看起來會比鄰近的那條靜止的鯨魚短一些。”

汪林望

那是中學生汪林望第一次體會到狹義相對論的奧妙，并開始嘗試用自己的方式去理解物理學。第一個被他“盯”上的是熱力學第一定律。“這個定律告訴我們，能量與熱量是等效的。那能不能把馬路上的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰浚?qū)動汽車自動向前呢？”就在他為這個奇思妙想興奮時，一盆冷水潑了下來。“我在書店里讀到了熱力學第二定律，按它的說法，在自然界中，熱量不可能在不產(chǎn)生其他影響的條件下完全變成其他形式的能量。”正在讀高中的汪林望備受打擊，但還是倔強地認為一定能找到一個方法來“推翻”熱力學第二定律。

考到上海交通大學的第一年，汪林望都還在構(gòu)思一些奇奇怪怪的思想實驗。“就像一個躲在暗處的小人兒，時時幻想著對一個巨人發(fā)起進攻。”日復(fù)一日，汪林望終于被“巨人”折服，轉(zhuǎn)為相信熱力學第二定律，但這段經(jīng)歷也令他發(fā)現(xiàn)“掌握一個定律的最好方法是試圖推翻這條定律”，從而養(yǎng)成了勤于思考、大膽求索的習慣。一個重要的轉(zhuǎn)折點發(fā)生在1985年。那一年，他從上海交通大學本科畢業(yè)，并以全國并列第四名的成績考上了中美聯(lián)合培養(yǎng)物理類研究生計劃（CUSPEA），前往美國康奈爾大學留學。

在康奈爾大學期間，汪林望沉醉于研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，花了兩年時間泡在圖書館里，學習大腦皮質(zhì)六層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、人腦思維的模型等，還想寫一個程序來模擬猴子的思維。等他把能上的課都上完，想起要找博士生導(dǎo)師時，才發(fā)現(xiàn)大多數(shù)理論導(dǎo)師都沒有學生名額了。“還好邁克爾·泰特（Michael Teter）教授還在招人。那時候，正值第一性原理計算迅速發(fā)展時期，而他是第一個把共軛梯度法應(yīng)用到電子結(jié)構(gòu)計算的人。”就這樣，汪林望誤打誤撞進入材料計算領(lǐng)域，并在此深耕30多年。在這個過程中，最讓他驚喜的莫過于親眼見證了第一性原理計算的騰飛。

第一性原理計算是一種基于量子力學理論的計算方法，可以對材料的能帶結(jié)構(gòu)、電荷密度、力學性質(zhì)、光學性質(zhì)、電學性質(zhì)等各種性質(zhì)進行預(yù)測。“原則上，只要是地球上的物質(zhì)都可以用它去計算，并且不需要任何經(jīng)驗參數(shù)。”汪林望說，“這是一個非常強有力的工具。”

那么問題來了，早在1925—1927年，丹麥物理學家波爾、德國物理學家海森堡、奧地利物理學家薛定諤等人就相繼提出了量子力學的基本原理，建立了現(xiàn)代量子力學的框架，為何直到大半個世紀后，第一性原理計算才開始“起飛”呢？從根本上來說，還是受限于算力。據(jù)汪林望介紹，凝聚態(tài)物質(zhì)計算的轉(zhuǎn)機出現(xiàn)在1964年。彼時，美國理論物理學家、理論化學家沃爾特·科恩提出，一個量子力學體系的狀態(tài)可以僅由其電子密度來決定，這個密度函數(shù)比多體電子波函數(shù)容易太多，這便是密度泛函理論。但最初，就連科恩本人都沒對這一理論抱太大希望，因為學界對密度泛函的具體形式一無所知。直到20世紀80年代初，大家發(fā)現(xiàn)，即使用最簡單的局域泛函的近似方法，計算出來的很多物理性質(zhì)也能和實驗很接近，這才大喜過望。“一個確實好的理論往往可以在大家認為不應(yīng)該行的地方還是行！”他補充道。

密度泛函理論誕生于1964年，汪林望也出生于這一年。這令他總覺得自己與這一領(lǐng)域有一些緣分，也有一份使命。攻讀博士學位期間，他圍繞動能泛函展開了一系列開創(chuàng)性工作，并提出了一個以他和導(dǎo)師名字命名的函數(shù)，僅用電荷密度就能計算出相應(yīng)的電子動能。“但這個函數(shù)只能用在輕金屬，比如鋁合金上。”汪林望謙虛地說。話雖如此，這項研究卻引起了學界的廣泛關(guān)注，至今仍有學者在此基礎(chǔ)上不斷對這一動能函數(shù)進行改進，推動著相關(guān)研究的進步。

半導(dǎo)體超晶格國家重點實驗室半導(dǎo)體第一性原理計算及方法開發(fā)課題組

自20世紀90年代起，汪林望的研究漸入佳境。他開始研究線性標度O(N)電子結(jié)構(gòu)計算，并開發(fā)了折疊能譜方法，將非自洽電子結(jié)構(gòu)計算的極限從100個原子的體系擴充到數(shù)千個原子的體系。那時正值納米材料科學興起，他用線性標度法研究了諸多納米材料，如量子點、量子線等，而他的工作也被業(yè)界同行所熟知。此后，他逐漸發(fā)展了一整套十多種的系列方法和軟件。其中，PEtot、Escan、LCBB、LS3DF、CPM、Transport等軟件至今仍被廣泛使用，而線性標度三維分塊算法（LS3DF）還為他贏來了2008年戈登·貝爾獎。這是一獎項被譽為“超級計算應(yīng)用領(lǐng)域的諾貝爾獎”，汪林望則是第一位獲此殊榮的領(lǐng)頭華人科學家。

“簡而言之，它的原理就是‘分而治之’。”汪林望解釋道，在超大規(guī)模計算機軟件設(shè)計時，關(guān)鍵是減少全局通信，將通信限制在局域處理器內(nèi)部。量子力學效應(yīng)其實是短程的，這一局域性使它可以將一個大的體系劃分成很多碎片，各個擊破。由于直接進行密度泛函計算的計算量與體系大小的三次方成正比，當體系被分解成碎片后，計算量就只與碎片數(shù)，也就是體系大小，成正比了。而這一算法的精妙之處就在于能夠?qū)⑦@些碎片高效地拼接起來。“這樣做的好處是，只要有更多的計算機資源，就能在相同的時間內(nèi)更方便地計算更大的體系，這非常適合應(yīng)用于工業(yè)材料設(shè)計仿真。”

在研究歷程中，汪林望清晰地感受到，從某種程度上說，科學只有第一、沒有第二。“有時候剛打算好下一步的研究計劃，就發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有團隊在做了，陰差陽錯就落后了一步。”盡管如此，他很少對研究產(chǎn)生沮喪的情緒，他更在意的是如何在靈感不期而至的時候抓住它們。“勤勉是一種美德，其中也包括勤思。事實上，和團隊吃飯聊天時、閱讀文獻時，甚至開車時，都可能被靈感‘擊中’，我有好多想法都是這么來的。”

時隔多年，汪林望已經(jīng)淡忘了攻關(guān)路上那些“磨人”的細節(jié)，也記不清得知自己獲獎時的心情了。“那是個好日子。”他輕描淡寫地說。

新旅程：做事是人生常態(tài)

2021年，汪林望從美國勞倫斯伯克利國家實驗室退休。回國之后，“閑不下來”的他，接過中國科學院半導(dǎo)體研究所的橄欖枝，聚焦大規(guī)模原子級半導(dǎo)體工藝模擬和器件仿真軟件（TCAD）中的一些基礎(chǔ)物理問題，開始了一段新的旅程。

隨著芯片設(shè)計的復(fù)雜程度不斷提升，電子設(shè)計自動化（EDA）與產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)合愈加緊密，已經(jīng)成為提高設(shè)計效率、加速技術(shù)進步的關(guān)鍵推手。作為EDA的關(guān)鍵技術(shù)分支，TCAD工具則主要應(yīng)用在工藝及器件仿真領(lǐng)域。尤其在后摩爾時代，當半導(dǎo)體器件尺寸越縮越小，系統(tǒng)的量子力學效應(yīng)和原子尺度結(jié)構(gòu)漲落造成的影響就變得格外重要。此時，傳統(tǒng)基于連續(xù)介質(zhì)模型的TCAD工具不再適用，發(fā)展原子級TCAD仿真工具迫在眉睫。而發(fā)展這些仿真工具，首先需要解決其中的一些基本物理問題，從方法和理論上創(chuàng)新。在這方面，汪林望無疑是占據(jù)先機的。

在國家自然科學基金委重大項目課題的支持下，汪林望將帶領(lǐng)團隊圍繞相關(guān)基本科學問題進行攻關(guān)。他們希望能夠通過量子輸運理論研究、算法創(chuàng)新、異構(gòu)加速等手段，提出面向大規(guī)模原子級別TCAD仿真的新理論和新方法。同時，基于非平衡格林函數(shù)（NEGF）和平面波散射態(tài)兩種方法，設(shè)計出能夠計算2萬原子規(guī)模的納米器件第一性原理模擬軟件；他們希望開發(fā)出具備對復(fù)雜邊界條件的非平衡態(tài)系統(tǒng)計算電子結(jié)構(gòu)的方法，特別是通過自洽計算得到具有原子層面屏蔽效應(yīng)的哈密頓勢能；他們將研究電聲相互作用在納米器件中的效應(yīng)，發(fā)展一套基于波包的量子輸運描述方式，連接從彈性散射到漂移-擴散的電子輸運模式；他們還將研究單原子級別的缺陷對器件性能的影響，評估不同器件設(shè)計的可靠性及可能的良率大小等。“我們一定要把大規(guī)模原子級別TCAD做好，在后摩爾時代，這將是一個非常重要的工具。無論是對先進技術(shù)節(jié)點器件研究，還是對新興材料和器件的研究，它都具有重要意義。”他說。

加入中國科學院半導(dǎo)體研究所以來，除了基礎(chǔ)研究之外，汪林望還致力于在團隊建設(shè)和人才培養(yǎng)上下功夫，切實展開全方位的深耕，鍛煉及培養(yǎng)一批優(yōu)秀的科研工作者。

“我希望能和學生融為一體，創(chuàng)造出一種比較活躍和輕松的氛圍，鼓勵他們養(yǎng)成獨立思考、自由討論的習慣。”汪林望說道。他認為，在人才成長過程中，要注重基本功和專業(yè)技能的積累。“公式一定要吃透，編程一定要了解，尤其我們這行，不能只會用軟件，要清楚這個軟件到底是根據(jù)什么原理去計算的，做到知其然更知其所以然。”

在學生眼中，汪林望是一位喜歡深度思考、追本溯源的導(dǎo)師。從他身上，他們學會了“剝洋蔥”式的研究思維，去探索問題的本質(zhì)和核心。而當學生的程序出現(xiàn)問題，汪林望也樂于幫他們調(diào)整。“寫程序、調(diào)漏洞（bug），是我最喜歡干的事，很治愈。”仍然奮斗在科研第一線的他經(jīng)常這樣說。親力親為是他一貫的作風，他也常常提醒學生，要腳踏實地、獨立思考。“做研究養(yǎng)成獨立思考的習慣，就跟運動員要養(yǎng)成運動習慣一樣。長跑運動員心無旁騖地去跑步時，會感到愉悅、有成就感。同樣的，對一個研究者來說，獨立思考也是一件很開心的事。”

這種愉悅感，是汪林望科研路上的活力之源。每當被問到累不累，他總是想起遙遠記憶中一位勤勞慈祥的幺姑婆，她一邊忙著活計一邊念叨“人這輩子總是要做事的”。年幼的汪林望懵懂中記住了這句話，往后時光中，這句話逐漸在他心中生根發(fā)芽，形成了一種“做事就是人生常態(tài)”的哲理觀，激勵著他勤勉向前。

產(chǎn)業(yè)化：像龍一樣騰飛

2023年4月，汪林望受邀參加第七屆新型電池正負極材料技術(shù)國際論壇暨首屆鈉電池技術(shù)與市場發(fā)展論壇，圍繞“第一性原理計算在電池材料研發(fā)中的應(yīng)用”展開了主題演講。其中，重點提到了國產(chǎn)第一性原理材料計算軟件——PWmat。

這是世界上率先利用GPU進行全面加速的平面波密度泛函軟件，速度遠超同類軟件。“快，就是因為我們把它放在了GPU上。”用汪林望的話說，借助GPU的并行計算能力，可以將計算任務(wù)分解為多個獨立的子任務(wù)，當這些子任務(wù)被并行執(zhí)行時，計算速度和效率就會大幅度提高。以PWmat為例，它可以在GPU集群上以第一性原理計算精度實現(xiàn)5000個原子體系的計算模擬，如果使用線性標度法，則可以實現(xiàn)超1000萬個原子體系的計算。25年前計算一個包含100個原子體系要花費一周時間，而現(xiàn)在甚至不超過半分鐘，這是其他同類代碼不具備的能力。

但PWmat的誕生卻沒有什么轟轟烈烈的故事。2013年，英偉達剛剛推出用于科學計算的GPU，“我想到與網(wǎng)絡(luò)中心合作，把我研發(fā)的基于CPU的第一性原理軟件PEtot移植到GPU上，由當時還是學生的賈偉樂來負責”。汪林望表示，PEtot的雛形出現(xiàn)于汪林望在康奈爾大學攻讀博士期間，到勞倫斯伯克利國家實驗室工作后，他又對其進行了完善，形成了一個完整的開源軟件，擁有BSD許可（加州大學發(fā)布的授權(quán)條款），可不受限制地開發(fā)。

對汪林望團隊來說，這在當時只是一個小項目，但出現(xiàn)了一個意外的驚喜。在一次小型的英偉達開發(fā)人員會議上，組織人員送給他們一塊閑置的GPU卡。賈偉樂就把它插到汪林望家中一個計算機工作站上，觀察到PWmat的運算速度很快。這讓他們很興奮，既然如此，為何不推廣使用呢？創(chuàng)業(yè)的想法由此萌生。2015年，北京龍訊曠騰科技有限公司（以下簡稱“龍訊曠騰”）正式創(chuàng)立。“曠騰”代表量子（quantum）；“龍訊曠騰”則寄托著他們的期望，希望第一性原理計算的產(chǎn)業(yè)推廣事業(yè)能夠像龍一樣騰飛。

“PWmat是在不斷調(diào)試的過程中形成的。我們會根據(jù)需要將一些新的算法和功能加進去，每天遇到的問題就是要盡快找到程序里的漏洞，或者如何避免產(chǎn)生太多的漏洞。”在這些漏洞面前，汪林望就像福爾摩斯一樣探尋它們的蛛絲馬跡。令他驕傲的是，大多數(shù)漏洞只要經(jīng)他的手，就很少能夠過夜。而PWmat也在日復(fù)一日的完善中，成為龍訊曠騰的核心產(chǎn)品，有200多個課題組，上千個用戶在使用，涵蓋國內(nèi)幾十所主流材料研究機構(gòu)。

“這樣的標準化的代碼發(fā)展，完全改變了這個領(lǐng)域的面貌，讓更多的材料研究人員可用上第一性原理計算，也大大增強了我們計算的能力及可算的范圍。”汪林望說。如今，他和龍訊曠騰團隊不僅致力于拓展科研用戶，也在大力將軟件推向企業(yè)界。這是一個艱難的過程，畢竟，第一性原理計算與工業(yè)材料制備，特別是工藝過程之間還存在一個巨大的鴻溝。如何跨越這一鴻溝，是他日思夜想的問題。前途是光明的，但道路是曲折的。經(jīng)過近40年的發(fā)展，第一性原理計算已經(jīng)在學術(shù)圈的材料研發(fā)中站穩(wěn)腳跟。“現(xiàn)在是時候把它推向工業(yè)界了。一個理論最大的影響，還是要看它在工業(yè)界是否被廣泛應(yīng)用，是否能改變工業(yè)界的面貌。”

在業(yè)界摸爬滾打幾十年，年近六旬的汪林望，在精氣神上卻讓人看不出年齡感。他想起年輕時看過的電影《追捕》，故事結(jié)束時，真由美望著杜丘問：“完了嗎？”杜丘回答：“不，哪有個完吶！”杜丘的喟嘆，響在汪林望心里，總是會轉(zhuǎn)換成一種“在路上”的執(zhí)著與浪漫。在他看來，能夠一直做自己想做的事，這就是幸福。“人不能躺平，躺久了，容易背疼。”他笑著說。

專家簡介

汪林望，中國科學院半導(dǎo)體研究所資深研究員，北京龍訊曠騰科技有限公司創(chuàng)始人兼首席科學家。1985年獲上海交通大學物理學學士學位，1991年獲美國康奈爾大學物理學博士學位。1992年至1998年先后在美國康奈爾大學物理系和美國再生能源國家實驗室從事博士后及研究員工作。1999年至2021年，在美國勞倫斯伯克利國家實驗室任研究員及資深研究員。

汪林望主要從事大尺度材料計算的算法研究及應(yīng)用，在納米材料、半導(dǎo)體缺陷及低維結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體器件模擬、能源材料、高性能計算等多方面取得了多項具有國際影響力的原創(chuàng)性研究成果。發(fā)表《科學引文索引》（SCI）論文400余篇，論文總引用次數(shù)達36 000余次，H指數(shù)為94。2006年當選美國物理學會會士；2008年獲得戈登·貝爾獎。