隨著(zhù)計算機的發(fā)展和計算能力的提高，計算材料學(xué)快速興起，推動(dòng)了材料研發(fā)由“經(jīng)驗+試錯”的模式向計算驅動(dòng)模式轉變。計算驅動(dòng)模式是現代材料研發(fā)的重要手段，可以有效提升材料研發(fā)的效率并降低研發(fā)成本。

　　“公司和海河實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的高比能鋰離子動(dòng)力電池項目，應用于電動(dòng)汽車(chē)，續航里程可達1000公里。研發(fā)中所選材料需要計算來(lái)優(yōu)化設計、改善性能，電池的電化學(xué)仿真結構和熱仿真方面，也需要模擬計算。平時(shí)需要三四天才能算完，應用超級計算機，一天就算完了。”天津市捷威動(dòng)力工業(yè)有限公司研究院副院長(cháng)馬華在日前舉行的“計算—數據—智能融合驅動(dòng)的材料創(chuàng )新研究高端論壇”上對科技日報記者說(shuō)。

　　在此次論壇上，專(zhuān)家、學(xué)者共同探討了在新一代信息技術(shù)創(chuàng )新變革驅動(dòng)下，如何探索發(fā)展計算—數據—智能融合驅動(dòng)的材料創(chuàng )新研究范式，變革傳統材料研究模式。

　　新一代信息技術(shù)帶來(lái)新材料研發(fā)變革

　　隨著(zhù)新一輪信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，云計算、大數據、人工智能、超級計算等信息技術(shù)不斷賦能各類(lèi)行業(yè)，帶動(dòng)了行業(yè)模式的深度變革。

　　新材料的設計和研發(fā)越來(lái)越依賴(lài)超級計算機，材料的模擬計算已經(jīng)成為超級計算主要應用領(lǐng)域之一。“信息技術(shù)與新材料深度融合，共同推動(dòng)制造業(yè)向高端化發(fā)展。”國家超算天津中心黨組書(shū)記孟祥飛說(shuō)，由于材料是一個(gè)復雜的高維多尺度耦合系統，現有的基礎理論還不能準確地描述材料成分—組織/結構—性能—服役行為的構效關(guān)系，一些深層次的機理還不清楚，導致材料研發(fā)長(cháng)期基于經(jīng)驗，依靠“試錯法”推進(jìn)。隨著(zhù)計算機的發(fā)展和計算能力的提高，計算材料學(xué)快速興起，推動(dòng)了材料研發(fā)由“經(jīng)驗+試錯”的模式向計算驅動(dòng)模式轉變。計算驅動(dòng)模式是現代材料研發(fā)的重要手段，可以有效提升材料研發(fā)的效率并降低研發(fā)成本。

　　“在最近十多年，隨著(zhù)材料計算數據和實(shí)驗數據的爆炸式增長(cháng)，以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，數據和智能驅動(dòng)的材料研發(fā)分析和性質(zhì)預測已成為材料研究的新手段。”孟祥飛介紹。

　　在美國、歐洲等國家和地區，超級計算機在材料計算與數據庫建設方面起步早，已經(jīng)取得了一定成效。比如由美國能源部主導建設的在線(xiàn)開(kāi)源材料計算與數據庫平臺，可有效加速新材料的篩選；美國杜克大學(xué)建立的AFLOW數據庫可提供基本的材料搜索、分析等服務(wù)，并集成了材料性質(zhì)預測的機器學(xué)習模塊。

　　國內也有不少科研團隊和公司正在開(kāi)展高通量計算與材料數據挖掘等工作，國家超級計算天津中心研發(fā)了中國材料基因工程高通量計算平臺CNMGE，該平臺實(shí)現了催化等多種材料的自動(dòng)高通量計算以及多元多相復合材料力學(xué)行為的多尺度計算。

　　超級計算驅動(dòng)新材料創(chuàng )新發(fā)展

　　在新一代信息技術(shù)創(chuàng )新變革驅動(dòng)下，探索發(fā)展計算—數據—智能融合驅動(dòng)的材料創(chuàng )新研究新范式，變革傳統材料研究模式尤為重要。

　　特別是要依托我國新一代百億億次超級計算系統，將傳統的計算材料學(xué)與新興的人工智能和大數據技術(shù)相融合，通過(guò)構建高通量、多尺度計算與高精度專(zhuān)題數據庫基礎研究設施平臺，開(kāi)發(fā)基于機器學(xué)習的材料快速性能預測方法及模型，從而提高能源、化工、電子、環(huán)境等領(lǐng)域新材料的“綠色”創(chuàng )造與制造研發(fā)效率。

　　以近年來(lái)國際材料領(lǐng)域興起的前沿技術(shù)材料基因工程為例，它包括3種模式：一是高通量實(shí)驗技術(shù)，通過(guò)高通量實(shí)驗加速新材料研發(fā)；二是高通量計算，通過(guò)理論計算，減少實(shí)驗次數，再進(jìn)行實(shí)驗驗證；三是數據與智能驅動(dòng)，通過(guò)對材料領(lǐng)域大量數據（即材料數據庫）的挖掘和深度學(xué)習建立模型，預測候選材料，大幅降低實(shí)驗試錯成本。“在材料基因工程思想的引領(lǐng)下，國內外也涌現出一批計算、數據與智能相結合的研究成果。”孟祥飛說(shuō)。

　　“首創(chuàng )性、獨創(chuàng )性的科學(xué)研究不僅需要快速驗證，更需要頻繁試錯、迭代，找準新的方向，這就更需要算法和算力的支撐。”物質(zhì)綠色創(chuàng )造與制造海河實(shí)驗室常務(wù)副主任、中國科學(xué)院院士、南開(kāi)大學(xué)副校長(cháng)陳軍表示。

　　由此可見(jiàn)，超級計算平臺作為“超級算力供給+大規模數據支撐+系統性算法集成”的融合載體，在新材料創(chuàng )新研發(fā)方面正發(fā)揮著(zhù)日益強勁的驅動(dòng)作用，特別是伴隨天河等新一代超級計算機的研制成功，通過(guò)將高性能計算方法、機器學(xué)習方法與第一性原理計算方法相融合，將實(shí)現更高精度、更大尺度的分子層面模擬計算以及開(kāi)展上萬(wàn)級任務(wù)并發(fā)的高通量材料篩選等工作。因此，計算和智能技術(shù)融合將會(huì )為新材料創(chuàng )新研發(fā)帶來(lái)新機遇、新發(fā)展。（科技日報記者 陳曦）