2023戈登貝爾獎揭曉：Frontier超算「量子精度」材料模擬獲獎

戈登貝爾獎（ACM Gordon Bell Prize）設立於 1987年，由美國電腦學會頒發，被稱為超算界的「諾貝爾獎」。該獎項每年頒發一次，以表彰高效能運算領域的傑出成就。獎金 1 萬美元，由高效能和平行運算領域先驅戈登貝爾提供。

近日，在全球超級計算大會SC23 上，2023年ACM 戈登貝爾獎授予了美國和印度研究人員組成的8 人國際團隊，他們實現了大規模量子精度的材料模擬。相關項目名稱為「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」。

團隊成員的背景各不相同，他們分別來自密西根大學、橡樹嶺國家實驗室和印度科學研究所（班加羅爾）

獲獎團隊成員。

2021年，由14名成員組成的中國超級運算應用團隊獲得了戈登貝爾獎。該團隊成員來自之江實驗室、國家超級計算無錫中心、清華大學和上海量子科學研究中心。該團隊獲獎是為了表彰他們利用我國新一代神威超級計算機，進行了「超大規模量子隨機電路即時模擬」。此前，該團隊在2016年和2017年連續兩年獲得了戈登貝爾獎

#研究概覽

##我們知道，分子動力學是使用電腦模擬來更好地理解系統內原子和分子運動的過程。 Ab initio（拉丁語，從頭計算）是分子動力學的一個分支， 該技術已被證明對物理和化學中的重要問題特別有效，包括更好地理解微觀機制、獲得材料科學的全新洞見以及證明實驗數據等。

請點擊以下連結查看論文：https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3581784.3627037

這項研究由密西根大學機械工程、材料科學與工程教授Vikram Gavini領導，利用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），採用薛丁格方程式的第一原理方法進行模擬。該方程式描述了微觀系統的機率性質，研究結果可用於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 的團隊在Frontier 和Summit 超級計算機上使用了整合計算框架，對由近7.5 萬個原子組成的鎂系統中的錯位或缺陷進行了模擬。鎂合金作為一種輕質合金的有希望的候選者，但其中的空缺錯位可能會導致脆性和開裂問題。了解鎂合金中的錯位情況可以為工業帶來更輕、更靈活的合金材料

本文與過去工作的比較。

該團隊正在利用美國國家能源研究科學計算中心的Perlmutter 超級電腦來研究鐿鎘合金中準晶體的穩定性

這些計算是基於密度泛函理論進行的，這是一種用於計算材料原子和電子結構的量子力學方法，並使用機器學習來接近量子多體計算的精確度水平。他們使用了Frontier的8000個節點，最大計算能力達到659.7 petaflops

"隨著我們努力實現更高的準確性，可利用的計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。"

#本文方法概覽，在量子精度上實現大規模材料模擬。

這項研究是 Frontier 團隊十年來努力的最新里程碑。先前，2019 年的一項研究使用 Summit 模擬了 1 萬餘個鎂原子，也獲得了戈登貝爾獎提名。

合金的生產過程有關金屬的熔化與混合。在凝固過程中形成的缺陷可能有助於或有害於材料性能。材料的原子結構在這些線缺陷（通常稱為錯位）的行為中起著至關重要的作用。

鋁這種具有延展性的金屬，得益於其原子結構，可以適應錯位和運動。而鎂的原子結構則無法輕易容納錯位，因此其性質更為脆弱

#Gavini介紹說：「在適當的情況下，這些缺陷可以創造前所未有的特性。為什麼會產生這些缺陷？我們如何利用這些缺陷來實現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。」

據研究團隊介紹，該方法可以在許多科學領域廣泛使用，並回答從航空航天到醫學等數十年來一直存在的一些具有挑戰性的問題。

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