Annonce du prix Gordon Bell 2023 : gagnant de la simulation de matériaux « Quantum Level Accuracy » de Frontier Supercomputer

Le prix ACM Gordon Bell a été créé en 1987 et décerné par l'American Computer Society. Il est connu sous le nom de « prix Nobel » dans le monde du calcul intensif. Ce prix est décerné chaque année pour récompenser des réalisations exceptionnelles dans le domaine du calcul haute performance. Le prix de 10 000 $ est décerné à Gordon Bell, pionnier du calcul parallèle et haute performance.

Récemment, lors de la Global Supercomputing Conference SC23, le prix ACM Gordon Bell 2023 a été décerné à une équipe internationale de 8 membres de chercheurs des États-Unis et de l'Inde, qui ont réalisé une simulation de matériaux de précision quantique à grande échelle. Le projet connexe s'intitule « Modélisation de matériaux à grande échelle avec précision quantique : simulations ab initio de quasicristaux et défauts se propageant par interaction dans les alliages métalliques ».

Les membres de l'équipe viennent d'horizons divers et proviennent de l'Université du Michigan, du laboratoire national d'Oak Ridge et de l'Indian Institute of Science (Bangalore).

Membres de l'équipe primés.

En 2021, une équipe chinoise d'application de calcul intensif composée de 14 membres a remporté le prix Gordon Bell. Les membres de l'équipe viennent du laboratoire Zhijiang, du National Supercomputing Wuxi Center, de l'Université Tsinghua et du Shanghai Quantum Science Research Center. L'équipe a remporté le prix en reconnaissance de son utilisation du supercalculateur chinois Sunway de nouvelle génération pour effectuer une « simulation en temps réel de circuits aléatoires quantiques à très grande échelle ». Auparavant, l'équipe a remporté le prix Gordon Bell pendant deux années consécutives en 2016 et 2017

Aperçu de la recherche

Nous savons que la dynamique moléculaire est l'utilisation de simulations informatiques pour mieux comprendre le mouvement des atomes et des molécules au sein d'un système. processus. Ab initio (latin, ab initio) est une branche de la dynamique moléculaire qui s'est avérée particulièrement utile pour résoudre des problèmes importants en physique et en chimie, notamment une meilleure compréhension des mécanismes microscopiques, l'acquisition de nouvelles connaissances en science des matériaux et la preuve de données expérimentales, etc.

Veuillez cliquer sur le lien ci-dessous pour consulter l'article : https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3581784.3627037

Cette recherche a été menée par Vikram, professeur de génie mécanique, science et ingénierie des matériaux à l'Université du Michigan, Gavini a dirigé la simulation en utilisant la méthode des premiers principes de l'équation de Schrödinger en utilisant Frontier (supercalculateur HPE Cray EX 1,14 exaflop) au Laboratoire national d'Oak Ridge du Département américain de l'énergie. L'équation décrit les propriétés probabilistes des systèmes microscopiques, et les résultats peuvent être utilisés pour concevoir des matériaux candidats pour de nouveaux alliages et piloter d'autres efforts de conception informatique tels que la découverte de médicaments. L'équipe de Gavini a utilisé un cadre informatique intégré sur les supercalculateurs Frontier et Summit pour Dislocations, ou défauts, dans un système de magnésium composé de près de 75 000 atomes ont été simulés. Les alliages de magnésium sont des candidats prometteurs en tant qu'alliages légers, mais les dislocations de lacunes en leur sein peuvent entraîner des problèmes de fragilité et de fissuration. Comprendre les dislocations dans les alliages de magnésium pourrait conduire à des alliages plus légers et plus flexibles pour l'industrie

Comparaison de cet article avec des travaux antérieurs.

L'équipe utilise le superordinateur Perlmutter du National Energy Research Scientific Computing Center pour étudier la stabilité des quasi-cristaux dans les alliages ytterbium-cadmium.

Ces calculs sont basés sur la théorie fonctionnelle de la densité, une méthode utilisant les méthodes de la mécanique quantique pour calculer la structure atomique et électronique des matériaux et utiliser l’apprentissage automatique pour approcher le niveau de précision des calculs quantiques à N corps. Ils ont utilisé les 8 000 nœuds de Frontier, avec une puissance de calcul maximale de 659,7 pétaflops

"Alors que nous nous efforçons d'atteindre une plus grande précision, le nombre de systèmes informatiques disponibles a considérablement diminué", a déclaré Gavini. "Nous utilisons les résultats de calculs quantiques à N corps sur des systèmes plus petits et utilisons l'apprentissage automatique pour déduire des relations constitutives universelles pour les électrons, qui peuvent être utilisées dans des calculs de théorie fonctionnelle à plus grande densité. En combinant ces méthodes, nous sommes en mesure d'utiliser des outils comme Frontier The avantages d'une si grande machine, tout en se rapprochant de la précision quantique. "

Cet article donne un aperçu des méthodes permettant de réaliser des simulations de matériaux à grande échelle avec une précision quantique.

Cette étude est la dernière étape importante d’une décennie de travail de l’équipe Frontier. Une étude précédente réalisée en 2019 avait utilisé Summit pour simuler plus de 10 000 atomes de magnésium et avait également été nominée pour le prix Gordon Bell.

Le processus de production d'alliage implique la fusion et le mélange des métaux. Les défauts formés lors de la solidification peuvent améliorer ou nuire aux propriétés du matériau. La structure atomique du matériau joue un rôle crucial dans le comportement de ces défauts linéaires, souvent appelés dislocations.

L'aluminium est un métal malléable qui peut s'adapter aux dislocations et aux mouvements grâce à sa structure atomique. La structure atomique du magnésium ne peut pas facilement s'adapter aux dislocations, sa nature est donc plus fragile

Gavini a déclaré : "Dans de bonnes circonstances, ces défauts peuvent créer des propriétés sans précédent. Pourquoi ces défauts se produisent-ils ? Comment pouvons-nous les exploiter ? Des défauts à obtenir des propriétés souhaitables plutôt que indésirables ? Dans des recherches précédentes, nous avons exploré l'énergie des dislocations individuelles dans le magnésium en vrac. Dans cette étude, nous avons étudié les défauts étendus en interaction dans les alliages de magnésium. "

Les résultats donnent l'image la plus détaillée à ce jour de cette structure, avec une précision quasi quantique. Gavini espère appliquer ces méthodes à un large éventail d'études.
"Si nous pouvons effectuer ces calculs à grande échelle avec une précision quasi quantique, cela signifie que nous pouvons concevoir de meilleurs matériaux grâce à la conception informatique, explorer des composés pour la découverte de médicaments et comprendre les nanoparticules et les systèmes de matériaux à de nouveaux niveaux. Détails de la fonctionnalité", Gavini dit. "Sans l'informatique exascale et Frontier, nous ne serions pas en mesure d'effectuer ce type de calculs. Maintenant que nous savons comment le faire, nous pouvons largement appliquer ces méthodes pour explorer d'autres problèmes." La méthode peut être utilisée dans de nombreux domaines scientifiques et répondre à certaines des questions difficiles qui se posent depuis des décennies, de l'aérospatiale à la médecine.

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