以下文章来源于制造界 ,作者谭小米
1/基于量子力学的工业材料设计软件PWmat,让基础材料研究“换道超车”
相比传统的研发手段,计算模拟的核心优势之一,便是缩短研发周期、降低研发成本。“通过计算机模拟的方式,能够解决过去在实验条件下无法解决的问题,实际上也是现在主流的材料研发里的非常重要的一个手段”,吕海峰介绍。
传统的工业设计软件是基于拟合的方法进行,其特点是依赖大量实践积累的经验参数,然后通过这些经验参数拟合出计算方法,再反向指导未来设计。像传统的CAD、CFD软件都是此类工作原理,如果基于同路径进行软件研发,对于工业化进程比国外晚几十年的中国来讲,想要在短时间内弥补基础材料的短板相对比较困难。
而第一性原理计算软件基于一个确定性的基本理论——量子力学进行设计,不依赖于经验参数,只要有很好的算法和很好的算力支持,即使没有那么多经验数据积累,完全只基于材料的元素组成、原子/分子结构就可以计算相关性能。“这是两个不同的路径,相当于换道超车的思路”吕海峰表示。
2/制造企业俯身基础创新,为工业软件蕴育出更大市场
当下,随着制造强国战略的深入,意识到底层核心技术是根本,越来越多制造企业开始在基础研究上下功夫,加大对源头材料的研发投入,这便催生出了对材料研究软件进一步市场化的需求。截至目前,龙讯旷腾PWmat基本服务了国内所有主流科研机构,包括100多家高校、研究所。相应的基于PWmat发表的论文也大量的呈现出来,这也为PWmat的市场化奠定了基础。
据吕海峰介绍,PWmat在企业端落地主要是两个方向,一是半导体,二是新能源。半导体行业,PWmat 可以做器件模拟以及量子输运等相应计算。“我们现在已经与中科院微电子所、中科院半导体所展开了合作”,PWmat已经进入了加速半导体研发的征程。
新能源行业也是当下热点领域,其中很多企业开始用第一性原理计算方法做研究。“首先如新能源电池,涉及很多复杂的材料问题(包括阳极材料、阴极材料等)都可以用第一性原理计算方法研究。其次,新能源的原料研究,以氢能源为例,氢能源的研发归根结底也是材料的问题。如光分解水或电分解水产生氢气,分解效率、成本控制都对是否可商业化产生影响,这个优化路径就涉及很多材料,比如是否可添加合适的催化剂加速分解反应,这其中有很大的探索空间,我们也在做深入研究”。
除新兴材料的研究,相对传统的合金材料应用领域也需要更优解。“如对耐高温材料的研发,以耐高温陶瓷材料,或是高温高熵合金材料代替传统的合金材料,这些‘卡脖子’的问题我们都有相应计算方法辅助研究单位做一些结构筛选”。
历经权威验证,无论是功能还是性能,当下,PWmat已经可以与国外同类型软件相媲美。“甚至在某些方面还有一些超越。比如相应特色的功能rt-TDDFT、超快速HSE等,这些功能是国外主流软件不具备的,这也吸引了很多潜在客户来选择我们。其次,在性能上,我们也具有比较大的优势,我们是国际上最早利用GPU加速来做平面波第一性原理计算的团队,从2008年就开始了研究,如今与HPC的异构加速的方法融合,使我们在性能上相对于国外竞争对手有非常大的优势”。
当下,无论是新型基础材料的研发还是传统材料体系优化,都是一个巨大的市场,对PWmat而言更是大有可为。
3/鲲鹏高性能计算解决方案,加速PWmat商业化
底层核心技术是第一生产力,基于鲲鹏高性能计算解决方案的助力,PWmat实现中国工业基础软件换道超车、进而加速基础材料研发进程,便是最有力的证明。
第一性原理计算软件追求的是极致的性能表现,实现的基础便是高性能计算。基于此,PWmat插上了“鲲鹏”的翅膀。鲲鹏高性能计算解决方案是华为推出的、基于鲲鹏全栈打造的涵盖硬件使能、基础软件、应用优化等能力的完整解决方案。通过硬件开放,使能整机伙伴打造高性能、高算力的整机产品;通过软件开源,携手基础软件伙伴孵化创新,构建完整的高性能计算基础软件栈。
以PWmat为例,软件代码就有100多万行,如此大的数据体量要充分发挥软件能力,其适配的硬件平台是否能持续更新迭代、是否有快速算力提升的研发能力是极其重要的。“如果适配的硬件平台性能不具备竞争力,而且新产品开发迭代又不可预期的话,对于软件厂商会是一个很大的问题”吕海峰表示,从长远发展的角度考虑,鉴于鲲鹏HPC完整解决方案的能力,龙讯旷腾最终选择了与鲲鹏合作。
而实际上,与鲲鹏的合作不仅是产品解决方案的提供,更像是两支队伍的融合。吕海峰介绍,鲲鹏强大的研发队伍很深度地参与了PWmat软件性能优化的改进工作。“他们给我们提供了很多的帮助,包括硬件架构上以及刚才讲到的全栈协同优化的能力上,甚至包括一些算法,为了持续的优化性能,我们还在与华为的基础软件团队接触,如基础数学库等,希望能够从更底层上帮助我们去做一些更好的优化”。
4/向下扎根的力量,曾获“中国十大科技进展”
无论是鲲鹏高性能计算解决方案还是PWmat为代表的工业软件,以及其致力于的基础材料研究,都是中国的底层技术。越底层的技术壁垒越高,创业难度越大,对专业的要求也便越高。而计算材料学作为一门材料学与计算科学的交叉学科的领域,则具有更高的门槛,也是材料学科里面最硬核的方向,其从业人员往往需要具备扎实的物理背景(量子力学和固体物理)和过硬的计算机应用能力。知识的积累是一个跨学科的复杂过程。
对于计算软件开发者而言,挑战无疑将变得更加复杂而艰巨。将物理信息转化为知识进而形成数学模型,通过建模仿真生成计算软件、再经过测试验证形成可复用的软件功能和平台架构,这一整套流程需要将多个学科的知识、方法进行集成应用,往往需要通过数十年的积累才能形成竞争优势。
龙讯旷腾则正是这样一支由国际著名材料计算专家所带领的,兼备材料物理、计算方法、体系架构及软件工程等多学科交叉优势的一流团队。公司首席科学家汪林望博士,美国物理学会会士(2007),戈登贝尔奖首位华人获奖者(2008),INCITE项目奖项获得者(2007-2018),曾任美国劳伦斯伯克利国家实验室(15 Nobel prizes)资深研究员(1999-2021),发表SCI论文400余篇,包括9篇Science和Nature,论文总引用次数33000余次,H-index高达88。
汪林望博士在计算方法和跨尺度材料计算领域拥有超过30年软件研发经验,已发展了十多种算法和程序,如现已广泛使用的PEtot, Escan, LCBB, LS3DF等,是大尺度材料计算的世界级领军人物。“我们的团队在国际上都是顶尖的”,吕海峰如是讲。在2022年由两院院士评比的中国十大科技进展中,龙讯团队成员贾伟乐博士也位列其中之一,跟北斗、嫦娥探测器等重大科技进展并列。
罗马并非一天建成,PWmat的市场化应用是从研到产的典范。“如今,基于鲲鹏高性能计算助力,PWmat基本达到了国际上的最先进水平”。窥一斑而见全豹,以鲲鹏为代表的高性能计算解决方案,正赋予PWmat软件全新的生命力。
向下扎根,终获果实。而这,又何尝不是未来中国制造的新生。
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