2023 戈登貝爾獎揭曉：Frontier 超算「量子精度」材料模擬獲獎

編輯| 澤南、杜偉

戈登貝爾獎（ACM Gordon Bell Prize）成立於1987年，由美國電腦學會頒發，被譽為超級計算領域的「諾貝爾獎」。該獎項每年頒發一次，旨在表彰在高效能運算領域的卓越成就。獎金為1萬美元，由高效能和平行運算領域的先驅戈登·貝爾提供

在最近的全球超級運算大會SC23上，由美國和印度研究人員組成的8人國際團隊獲得了2023年ACM戈登貝爾獎，因為他們成功實現了大規模量子精度的材料模擬。這個計畫的名稱是「量子精度的大規模材料建模：金屬合金中準晶體和相互作用擴展缺陷的從頭開始計算模擬」

團隊成員分別來自密西根大學、橡樹嶺國家實驗室以及印度科學研究所（班加羅爾）。

獲獎團隊成員。

先前2021 年戈登貝爾獎授予14 人組成的中國超算應用團隊，成員來自之江實驗室及國家超級計算無錫中心、清華大學、上海量子科學研究中心，以表彰該團隊基於我國新一代神威超級電腦的應用「超大規模量子隨機電路即時模擬」。再往前，中國超算應用團隊也曾在 2016 年、2017 年連續兩年摘得戈登貝爾獎。

研究概覽

重寫後的內容： 我們了解到，分子動力學是一種使用電腦模擬來更好地理解原子和分子在系統內運動過程的方法。分子動力學的一個分支是「從頭計算」（Ab initio），這項技術在物理和化學領域中已被證明對於解決重要問題非常有效，例如更好地理解微觀機制、獲得材料科學的全新見解以及驗證實驗數據等等

論文網址：https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3581784.3627037
#由密西根大學機械工程、材料科學與工程教授Vikram Gavini 領導的研究使用了美國能源部橡樹嶺國家實驗室的Frontier（1.14 exaflop HPE Cray EX超級電腦），透過薛丁格方程式採用第一原理方法進行模擬，此方程式描述微觀系統，包含它們的機率性質。據介紹，其結果可用於幫助設計新合金的候選材料，並推動藥物發現等其他計算設計工作。

Gavini團隊在Frontier和Summit超級電腦上使用了整合運算框架，模擬由近7.5萬個原子組成的鎂系統中的錯位或缺陷。鎂合金是一種輕質合金的有希望的候選者，但鎂原子結構中的空缺錯位可能導致脆性和開裂。了解鎂合金中的錯位可以為工業提供更輕、更靈活的合金

本文與以往的工作進行了比較

該團隊也在使用美國國家能源研究科學計算中心的Perlmutter 超算來研究鐿鎘合金中準晶體（有序但非週期性的結構）的穩定性。

這些計算依賴密度泛函理論，這是一種計算材料原子和電子結構的量子力學方法，並利用機器學習來接近量子多體計算的高精度水平。他們使用了Frontier的8000個節點，最大運算能力達到659.7百萬億次浮點運算每秒

「隨著我們努力實現更高的準確性，可利用的運算系統數量急劇下降， ”Gavini 表示。 「我們使用較小系統上的量子多體計算結果，並使用機器學習來推斷電子的普遍本構關係，該關係可用於更大的密度泛函理論計算。結合這些方法，我們才能夠利用像Frontier這樣的大型機器的優勢，同時接近量子精度。」

本文旨在概述一種方法，即透過量子精度的大規模材料模擬來實現

Frontier 團隊最新的研究成果是他們十年來的努力的新里程碑。在此之前，2019 年的一項研究使用 Summit 模擬了 1 萬餘個鎂原子，也因此獲得了戈登貝爾獎的提名

合金的生產過程涉及金屬的熔化和混合。在凝固過程中可能會出現缺陷，這些缺陷對材料的性能有正面或負面的影響。材料的原子結構在這些線狀缺陷（通常稱為錯位）的行為中扮演著至關重要的角色

像鋁這樣的延展性金屬受益於原子結構，允許金屬適應錯位及其運動。鎂的原子結構無法輕易容納錯位，使其性質更脆。

在適當的情況下，這些缺陷可以創造出前所未有的特性，Gavini介紹。 「為什麼會形成這些缺陷？我們如何利用這些缺陷來帶來所需的而不是不良的特性？在先前的研究中，我們探索了塊狀鎂中單一錯位的能量。在這項研究中，我們研究了鎂合金中相互作用的擴展缺陷。」

其結果得出了這種結構迄今為止最詳細的圖像，其精度接近量子精度。 Gavini 希望將這些方法應用於廣泛的研究。

「如果我們能夠以接近量子精度進行這些大規模計算，就意味著我們可以透過計算設計來設計更好的材料，探索用於藥物發現的化合物，以新的水平了解奈米粒子和材料系統的特性細節，」Gavini  說。 「如果沒有百億億次計算和Frontier，我們將無法進行這些類型的計算。現在我們知道瞭如何去做，我們可以廣泛應用這些方法來探索其他問題。」

根據研究團隊的介紹，這種方法在許多科學領域都能被廣泛應用，能夠解決從航空航天到醫學等領域中長期以來存在的一些具有挑戰性的問題

參考內容：
# https://awards.acm.org/bell
https://news.engin.umich.edu/2023/11/material-simulation-with-quantum-accuracy-wins-gordon-bell-prize/
https://www.hpcwire.com/off-the-wire/ornls-frontier-achieves-near-quantum-accuracy-in-alloy-simulation-contends-for-gordon-bell-prize/

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