2023戈登贝尔奖揭晓：Frontier超算「量子级精度」材料模拟获奖

戈登贝尔奖（ACM Gordon Bell Prize）设立于 1987年，由美国计算机学会颁发，被称为超算界的「诺贝尔奖」。该奖项每年颁发一次，用以表彰高性能计算领域取得的杰出成就。奖金 1 万美元，由高性能和并行计算领域先驱戈登·贝尔提供。

近日，在全球超级计算大会 SC23 上，2023年ACM 戈登贝尔奖授予了美国和印度研究人员组成的 8 人国际团队，他们实现了大规模量子精度的材料模拟。相关项目名称为「量子精度的大规模材料建模：金属合金中准晶体和相互作用扩展缺陷的从头计算模拟」。

团队成员分别来自密歇根大学、橡树岭国家实验室、以及印度科学研究所（班加罗尔）。

获奖团队成员。

此前 2021 年戈登贝尔奖授予 14 人组成的中国超算应用团队，成员来自之江实验室及国家超级计算无锡中心、清华大学、上海量子科学研究中心，以表彰该团队基于我国新一代神威超级计算机的应用「超大规模量子随机电路实时模拟」。再往前，中国超算应用团队还曾在 2016 年、2017 年连续两年摘得戈登贝尔奖。

研究概览

我们知道，分子动力学是使用计算机模拟来更好地理解系统内原子和分子运动的过程。Ab initio（拉丁语，从头计算）是分子动力学的一个分支， 该技术已被证明对物理和化学中的重要问题特别有效，包括更好地理解微观机制、获得材料科学的全新洞见以及证明实验数据等。

论文地址：https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3581784.3627037

由密歇根大学机械工程、材料科学与工程教授 Vikram Gavini 领导的这项研究使用了美国能源部橡树岭国家实验室的 Frontier（1.14 exaflop HPE Cray EX超级计算机），通过薛定谔方程采用第一性原理方法进行模拟，该方程描述微观系统，包含它们的概率性质。据介绍，其结果可用于帮助设计新合金的候选材料，并推动药物发现等其他计算设计工作。

Gavini 的团队在 Frontier 和 Summit 超级计算机上使用了集成计算框架，以模拟由近 7.5 万原子组成的镁系统中的错位或缺陷。镁合金是轻质合金的有希望的候选者，但镁原子结构中的空缺错位可能会导致脆性和开裂。了解镁合金中的错位可以为工业带来更轻、更灵活的合金。

本文与以往工作的比较。

该团队也在使用美国国家能源研究科学计算中心的 Perlmutter 超算来研究镱镉合金中准晶体（一种有序但非周期性的结构）的稳定性。

这些计算依赖于密度泛函理论，这是一种计算材料原子和电子结构的量子力学方法，并使用机器学习来达到接近量子多体计算所提供的精度水平。他们使用了 Frontier 的 8000 个节点，最大计算量达到 659.7 petaflops。

「随着我们努力实现更高的准确性，可利用的计算系统数量急剧下降，」Gavini 表示。「我们使用较小系统上的量子多体计算结果，并使用机器学习来推断电子的普遍本构关系，该关系可用于更大的密度泛函理论计算。结合这些方法，我们才能够利用像 Frontier 这样的大型机器的优势，同时接近量子精度。」

本文方法概览，在量子精度上实现大规模材料模拟。

这项研究是 Frontier 团队十年来努力的最新里程碑。此前，2019 年的一项研究使用 Summit 模拟了 1 万余个镁原子，也获得了戈登贝尔奖提名。

合金的生产过程有关金属的熔化与混合。在凝固过程中形成的缺陷可能有助或有害于材料性能。材料的原子结构在这些线缺陷（通常称为错位）的行为中起着至关重要的作用。

像铝这样的延展性金属受益于原子结构，允许金属适应错位及其运动。镁的原子结构无法轻易容纳错位，使其性质更脆。

「在适当的情况下，这些缺陷可以创造出前所未有的特性，」Gavini  介绍道。「为什么会形成这些缺陷？我们如何利用这些缺陷来带来所需的而不是不良的特性？在此前的研究中，我们探索了块状镁中单个错位的能量。在这项研究中，我们研究了镁合金中相互作用的扩展缺陷。」

其结果得出了这种结构迄今为止最详细的图像，其精度接近量子精度。Gavini 希望将这些方法应用于广泛的研究。

「如果我们能够以接近量子精度进行这些大规模计算，就意味着我们可以通过计算设计来设计更好的材料，探索用于药物发现的化合物，以新的水平了解纳米粒子和材料系统的特性细节，」Gavini  说道。「如果没有百亿亿次计算和 Frontier，我们将无法进行这些类型的计算。现在我们知道了如何去做，我们可以广泛应用这些方法来探索其他问题。」

据研究团队介绍，该方法可以在许多科学领域广泛使用，并回答从航空航天到医学等数十年来一直存在的一些具有挑战性的问题。