3D科學計算理念驅動下的超級計算機，加速新材料研發(fā)

材料是科技和產(chǎn)業(yè)革命的先導，如同硅之于信息時代、功能陶瓷之于手機、鋼筋混泥土之于高樓大廈，可以說，人類史實際上就是一部材料發(fā)現(xiàn)史。

所謂“一代材料，一代技術，一代產(chǎn)業(yè)”，材料制造是產(chǎn)業(yè)鏈中的關鍵一環(huán)，其上游涉及各類原材料，下游則涵蓋建材、光伏、醫(yī)療器械、航空航天、新能源汽車、消費電子、半導體等多個應用領域。這些領域市場需求的持續(xù)上漲，吸引著投資人們對材料項目的青睞，也推動著產(chǎn)業(yè)界對新材料研發(fā)的加大投入。

前景固然廣闊，但材料研發(fā)之艱難也是行業(yè)公認的。

新材料研發(fā)的技術壁壘高，人力物力的投入成本高，研發(fā)周期也非常長。作個比較，了解醫(yī)藥領域的人應該知道“雙十定律”，即一種新藥的研發(fā)基本上需要耗時十年、耗資十億美元，而對于新材料研發(fā)而言，成本要再高50%以上，成功率也更低。要跑完“開發(fā)階段-實驗工廠階段（小試）一示范生產(chǎn)線（中試）—示范工廠一工廠量產(chǎn)”所有環(huán)節(jié)，耗時可高達20年。

為了打破材料研發(fā)效率低、成本高的瓶頸，產(chǎn)學界做了長久的探索。

早期，材料研發(fā)過程緩慢而艱苦，如愛迪生試驗燈絲一般，實驗人員采用簡單循環(huán)試錯的方式去發(fā)現(xiàn)材料，然后對所獲材料做結構屬性分析和電化學性能測試。這種方式嚴重依賴經(jīng)驗積累，科學性較差，且存在偶然性，耗時耗力不說，還不一定能獲取最優(yōu)目標。

20世紀計算化學的興起，為“手工作坊”模式的材料研發(fā)打開了現(xiàn)代計算的大門?？茖W家建立理論模型，從材料最基本的電子結構出發(fā)做第一性原理計算，運用密度泛函理論、采用高通量的實驗方法等手段來輔助篩選、設計和分析新材料，一定程度上節(jié)約了試錯成本。但對于復雜真實材料的開發(fā)，仍缺少合適的算法。

近年來，計算模擬仿真的方法越來越開始廣泛地被使用，利用計算機模型和虛擬環(huán)境，在較短時間內(nèi)完成特定體系的原子尺度的模擬計算，在結構設計、制備工藝、性能測試和狀態(tài)評估等環(huán)節(jié)都能提供有益指導。比如要研究一種新材料的導電性能，建立數(shù)學模型和物理方程后，通過對材料的電子結構和運動方式進行模擬計算，就能在實際合成材料前就預測其導電性能，從而優(yōu)化材料設計。

遺憾的是，計算仿真也仍然有其局限性：首先是計算速度仍較慢，通過計算模擬來完成新材料的篩選、性能預測和優(yōu)化設計，仍要做大量的實驗，研發(fā)周期較長。因為從計算架構角度看，傳統(tǒng)的計算仿真主要采用二維計算系統(tǒng)架構，即服務器之間兩兩通過交換機或路由器線性相連，因此在處理三維空間的計算問題時，會產(chǎn)生大量額外的通信工作量，計算的復雜程度也會成倍增加。

其次，計算的規(guī)模較小、精度較低。仿真技術基于計算機模型，與真實環(huán)境本就存在一定誤差，難以準確地捕捉高維對象的運動過程，所以它對材料分子和原子的模擬精度是不夠的，無法在最大程度上還原研究對象在特定情境下的性質。

市場需求往往催生技術創(chuàng)新，下游市場對產(chǎn)品需求的增長，正推動許多材料制造企業(yè)嘗試突破計算模擬仿真技術的上述瓶頸，以搶占行業(yè)風口。

一個更強大的技術路線，就是利用超級計算機來進行新材料研發(fā)。

這里有兩個實力玩家非常值得介紹，一個是日本的住友橡膠工業(yè)有限公司（SRI），在2014年就運用超算取得了輪胎材料的技術突破。

住友橡膠提出了“4D NANO DESIGN”技術，利用當時世界第一超算“京”（K Computer)，在納米級尺度上高精度模擬了橡膠分子結構和運動形態(tài)，從而優(yōu)化了輪胎性能，包括濕地抓地力、耐磨性和燃油效率等。

比如橡膠發(fā)熱問題，與填充物二氧化硅的網(wǎng)絡行為、交聯(lián)結構和二氧化硅界面聚合物行為都密切相關，如果橡膠材料在加工過程中出現(xiàn)不完全交聯(lián)，內(nèi)部分子鏈運動就會受限制，能量聚集產(chǎn)生內(nèi)應力，進而導致輪胎發(fā)熱。而二氧化硅可以吸收硅橡膠中游離的硅烷，增強硅烷之間的交聯(lián)，使得硅橡膠分子更穩(wěn)定，輪胎耐溫性能也就更好。研究人員正是基于對此化學過程的模擬計算，成功提升了輪胎的耐磨、耐熱性能。

這項黑科技的進階版“ADVANCED 4D NANO DESIGN”，后續(xù)還在歐洲“2017年輪胎技術博覽會”上榮獲了“年度輪胎技術”獎。

ADVANCED 4D NANO DESIGN技術中尖端研究設備的協(xié)同運用

另外，專做汽車輪胎的住友子公司Falken，也在借助2020年曾問鼎全球超算TOP500榜首的富岳超算（Falken），持續(xù)推進橡膠材料模擬的技術研發(fā)，成為富岳的首批工業(yè)領域用戶。值得一提的是，富岳的產(chǎn)業(yè)應用場景還在不斷擴大，比如田邊三菱制藥使用富岳分析藥品的晶體結構、日本汽車零部件制造商電裝借助富岳研究汽車內(nèi)預防傳染病的空氣流動特征等等。

另一個不得不提的是材料化學制造業(yè)巨頭巴斯夫。2017年，巴斯夫首次啟動其超級計算機“Quriosity”，它的計算速度為1.75petaflop，在各個業(yè)務線都得到了充分利用，平均每天執(zhí)行20,000個任務，全球400多名員工都在使用，已經(jīng)成為全球化工行業(yè)最強大的計算機。憑借這臺超算，研究人員能夠建立更復雜的模型，允許更多參數(shù)的變化，更精準地預測材料性能。

Quriosity擁有超過1000個計算節(jié)點和3000兆字節(jié)的存儲容量，圖為其中一個計算節(jié)點特寫

得益于超算的支持，巴斯夫首次對中間產(chǎn)品環(huán)氧乙烷生產(chǎn)中使用的催化劑數(shù)據(jù)進行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)了催化劑的配方和應用特性之間存在相關性，從而更精確、更快速地獲取到了催化劑的性能和壽命預測。在農(nóng)作物保護產(chǎn)品的開發(fā)中，也利用超算進行分子建模，迅速確定了有效且對環(huán)境無害的化合物。

巴斯夫的研發(fā)人員如今已經(jīng)將基于超算的計算模擬作為重要的技術手段，而很少再待在實驗室里，比如巴斯夫的一位量子化學專家安東尼·德貝利斯（Anthony Debellis），平日工作就是在超級計算機上做分子模擬，從數(shù)千種模擬結果中篩選出幾種最優(yōu)材料。目前，他已經(jīng)在Quriosity上運用量子化學模擬計算成功支持了一個紫外線吸收劑的研發(fā)項目，推動了該吸收劑在汽車涂料、防曬霜和個人護理產(chǎn)品等方面的應用。

當超算提供的強大算力的同時，計算架構理念也在不斷升級，推動材料研發(fā)效率的再提升。一種新興的3D科學計算范式，在解決計算效率難題方面已經(jīng)顯示出了極大潛力。

3D科學計算，顧名思義是一種能夠模擬真實世界中三維對象的計算方式，即在計算機上建立原子的三維空間坐標，并用復雜的物理公式計算特定時間下原子坐標的位置變化，再加上超算的輔助，就能比傳統(tǒng)科學計算算得更快、更準。具體到材料計算場景，運用3D科學計算可以從原子和電子級別模擬材料的結構、性質和動態(tài)演化過程，從而幫助預測新材料的多種性能，篩選和設計新材料。

之所以能夠實現(xiàn)三維計算模擬，計算架構上的改變是必然的，這當中最核心的就是通信方式的變化：在空間維度上布局服務器，縮短其物理距離和數(shù)據(jù)傳輸路徑，有效降低了通信延遲；而且，流量是分散在多層級網(wǎng)絡上的，單點的數(shù)據(jù)傳輸壓力得到緩解，數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鲿承源蟠筇嵘?/p>

這本質上是由于計算機可以同時處理多個并行的模擬計算任務，類似的原理在人工智能計算領域也得到了運用，例如，英偉達提出的加速計算（Accelerated Computing）概念，就是在具有超多核心的GPU上做大規(guī)模的并行計算，加速大模型的訓練和推理。

而在生物計算領域，也有一個案例堪稱應用3D科學計算理念的典范——安騰超級計算機（Anton）。

安騰由美國D. E. Shaw研究所打造，2007年首次發(fā)布，專門用于模擬生物分子運動和相互作用，它的出現(xiàn)顛覆了過去人們對生物計算的認知，為藥物發(fā)現(xiàn)、疾病治療等研究領域做出了極大的貢獻。

我們知道，蛋白質的一次折疊就包含海量的動態(tài)信息，如果用靜態(tài)影像去獲取這些信息，至少需要十億張“照片”，而安騰作為一臺“計算機顯微鏡”，能夠在短時間內(nèi)模擬大體系規(guī)模的生物大分子運動。對于一個100萬原子級的蛋白質在0.001秒內(nèi)的運動的模擬，安騰只需要短短10天即可完成計算，它的計算效率比全球最強的通用超算Frontier都要快50倍！

安騰的計算速度能夠如此驚人，是由其軟硬件系統(tǒng)架構決定的，尤其是它的芯片分布結構。安騰采用的是ASIC專用芯片，芯片之間通過一個高速三維環(huán)形網(wǎng)絡互聯(lián)起來，形成一個環(huán)面拓撲結構，整個服務器被緊密排放一個正方體機箱當中。

安騰ASIC芯片通過高速通道連接形成三維環(huán)形拓撲結構

在這種排布下，機箱中的每個計算節(jié)點與周圍最近的8個節(jié)點以及其他2的倍數(shù)距離的節(jié)點建立連接，任意兩個節(jié)點間的通信通過最多不超過??(log???)步跳轉，那么在進行大規(guī)模并行計算時，節(jié)點之間的通信復雜度就低得多，也就能加快分子動力學模擬這種通訊密集型計算的速度。

事實證明，基于3D科學計算理念的安騰超算在產(chǎn)業(yè)應用上大獲成功，掀起了新藥研發(fā)行業(yè)的革命。美國明星制藥公司Relay憑借發(fā)現(xiàn)一款膽管癌治療藥物 RLY-4008 的結構，在全球制藥界橫空出世、一戰(zhàn)成名，背后借助的就是安騰。該藥物結構的確認僅僅用了18個月，成本不到1億美元，顛覆了制藥行業(yè)的“雙十定律”。

如今，3D科學計算的理念已經(jīng)逐漸深入應用到各個科學計算場景，在復雜系統(tǒng)模擬、高維數(shù)據(jù)處理以及大規(guī)模并行計算等問題上提供了更好更快的解法。而說回到材料研發(fā)行業(yè)，技術的迭代速度很大程度上決定了新材料的研發(fā)速度和市場紅利的周期，我們期待產(chǎn)學界能更多地利用基于3D科學計算架構的超級計算機，以更快的計算速度，獲取更多前沿新材料研發(fā)成果，在產(chǎn)業(yè)應用中占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢。