隨著計算機的發(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(yīng)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(xué)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(yīng)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(xué)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(yīng)用領(lǐng)域之一,?！靶畔⒓夹g(shù)與新材料深度融合，共同推動制造業(yè)向高端化發(fā)展,?！眹页闾旖蛑行狞h組書記孟祥飛說，由于材料是一個復(fù)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(dǎo)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(xué)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(yù)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(dǎo)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(xué)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(yù)測的機器學(xué)習(xí)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(fù)合材料力學(xué)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(xué)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(xué)習(xí)的材料快速性能預(yù)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(xué)習(xí)建立模型,，預(yù)測候選材料,，大幅降低實驗試錯成本?！霸诓牧匣蚬こ趟枷氲囊I(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,?！泵舷轱w說。  

“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?！蔽镔|(zhì)綠色創(chuàng)造與制造海河實驗室常務(wù)副主任,、中國科學(xué)院院士、南開大學(xué)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(xué)習(xí)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,。