隨著計算機的發(fā)展和計算能力的提高，計算材料學快速興起，推動了材料研發(fā)由“經(jīng)驗+試錯”的模式向計算驅(qū)動模式轉(zhuǎn)變。計算驅(qū)動模式是現(xiàn)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。

　　“公司和海河實驗室開發(fā)的高比能鋰離子動力電池項目，應用于電動汽車，續(xù)航里程可達1000公里。研發(fā)中所選材料需要計算來優(yōu)化設(shè)計、改善性能，電池的電化學仿真結(jié)構(gòu)和熱仿真方面，也需要模擬計算。平時需要三四天才能算完，應用超級計算機，一天就算完了。”天津市捷威動力工業(yè)有限公司研究院副院長馬華在日前舉行的“計算—數(shù)據(jù)—智能融合驅(qū)動的材料創(chuàng)新研究高端論壇”上對科技日報記者說。

　　在此次論壇上，專家、學者共同探討了在新一代信息技術(shù)創(chuàng)新變革驅(qū)動下，如何探索發(fā)展計算—數(shù)據(jù)—智能融合驅(qū)動的材料創(chuàng)新研究范式，變革傳統(tǒng)材料研究模式。

　　新一代信息技術(shù)帶來新材料研發(fā)變革

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

　　新材料的設(shè)計和研發(fā)越來越依賴超級計算機，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，共同推動制造業(yè)向高端化發(fā)展。”國家超算天津中心黨組書記孟祥飛說，由于材料是一個復雜的高維多尺度耦合系統(tǒng)，現(xiàn)有的基礎(chǔ)理論還不能準確地描述材料成分—組織/結(jié)構(gòu)—性能—服役行為的構(gòu)效關(guān)系，一些深層次的機理還不清楚，導致材料研發(fā)長期基于經(jīng)驗，依靠“試錯法”推進。隨著計算機的發(fā)展和計算能力的提高，計算材料學快速興起，推動了材料研發(fā)由“經(jīng)驗+試錯”的模式向計算驅(qū)動模式轉(zhuǎn)變。計算驅(qū)動模式是現(xiàn)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，隨著材料計算數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)的爆炸式增長，以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)和智能驅(qū)動的材料研發(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(qū)，超級計算機在材料計算與數(shù)據(jù)庫建設(shè)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(shè)的在線開源材料計算與數(shù)據(jù)庫平臺，可有效加速新材料的篩選；美國杜克大學建立的AFLOW數(shù)據(jù)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)預測的機器學習模塊。

　　國內(nèi)也有不少科研團隊和公司正在開展高通量計算與材料數(shù)據(jù)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，該平臺實現(xiàn)了催化等多種材料的自動高通量計算以及多元多相復合材料力學行為的多尺度計算。

　　超級計算驅(qū)動新材料創(chuàng)新發(fā)展

　　在新一代信息技術(shù)創(chuàng)新變革驅(qū)動下，探索發(fā)展計算—數(shù)據(jù)—智能融合驅(qū)動的材料創(chuàng)新研究新范式，變革傳統(tǒng)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(tǒng)，將傳統(tǒng)的計算材料學與新興的人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)相融合，通過構(gòu)建高通量、多尺度計算與高精度專題數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)研究設(shè)施平臺，開發(fā)基于機器學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：一是高通量實驗技術(shù)，通過高通量實驗加速新材料研發(fā)；二是高通量計算，通過理論計算，減少實驗次數(shù)，再進行實驗驗證；三是數(shù)據(jù)與智能驅(qū)動，通過對材料領(lǐng)域大量數(shù)據(jù)（即材料數(shù)據(jù)庫）的挖掘和深度學習建立模型，預測候選材料，大幅降低實驗試錯成本。“在材料基因工程思想的引領(lǐng)下，國內(nèi)外也涌現(xiàn)出一批計算、數(shù)據(jù)與智能相結(jié)合的研究成果。”孟祥飛說。

　　“首創(chuàng)性、獨創(chuàng)性的科學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)造與制造海河實驗室常務(wù)副主任、中國科學院院士、南開大學副校長陳軍表示。

　　由此可見，超級計算平臺作為“超級算力供給+大規(guī)模數(shù)據(jù)支撐+系統(tǒng)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)揮著日益強勁的驅(qū)動作用，特別是伴隨天河等新一代超級計算機的研制成功，通過將高性能計算方法、機器學習方法與第一性原理計算方法相融合，將實現(xiàn)更高精度、更大尺度的分子層面模擬計算以及開展上萬級任務(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)融合將會為新材料創(chuàng)新研發(fā)帶來新機遇、新發(fā)展。（科技日報記者 陳曦）