文章來源：中國科學(xué)報 作者：趙廣立

近年來，材料應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展在世界范圍內(nèi)獲得廣泛關(guān)注。關(guān)鍵材料供應(yīng)多樣化、開發(fā)關(guān)鍵材料的替代材料等課題成為各國在科研領(lǐng)域發(fā)力的焦點，保障關(guān)鍵材料安全和可靠供應(yīng)成為這些關(guān)注背后的核心考量。

材料是現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)。而在我國，材料供應(yīng)形勢分外嚴峻。中科院院士、中科院物理研究所極端條件物理重點實驗室主任汪衛(wèi)華曾在接受《中國科學(xué)報》采訪時表示，我國很多關(guān)鍵材料自給程度有待提升，因此希望通過先進的理念來推動材料應(yīng)用的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化。

正是基于這一思考，汪衛(wèi)華領(lǐng)導(dǎo)的實驗室，正在北京懷柔科學(xué)城構(gòu)建一個“材料基因工程平臺”。

材料研究也有基因工程？這要從“材料基因組計劃”說起。

國內(nèi)外競逐“材料基因組計劃”

2011年，美國率先提出旨在縮短新材料的研發(fā)周期和成本的“材料基因組計劃”（MGI）。該計劃被稱為美國繼曼哈頓計劃、阿波羅計劃、人類基因組計劃之后的第四大重大科研計劃。

材料基因組是一個象征義的提法：就像人類的基因組一樣，材料中原子的性質(zhì)和排列，乃至晶體結(jié)構(gòu)和缺陷都將決定材料的內(nèi)在性能。而“材料基因組技術(shù)”就是通過高通量實驗裝置，對組合材料的樣品單元進行高通量表征，并將所獲得的材料性能數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫中；進而，再通過數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)得到材料“成分—結(jié)構(gòu)—性能”的構(gòu)效映射關(guān)系。

通過分析、解構(gòu)材料“基因組”，可以改變傳統(tǒng)材料研究方法，加速材料研發(fā)進程。

“在材料基因組計劃中，數(shù)據(jù)庫及其共享、計算工具開發(fā)至關(guān)重要?！蹦成鲜泄镜牟牧涎邪l(fā)高級工程師劉國濤告訴《中國科學(xué)報》。

作為懷柔科學(xué)城配套跨學(xué)科交叉研究平臺中重大科研項目之一，“材料基因工程平臺”的目標就是建成大規(guī)模、手段先進的材料基因組研究平臺。

“材料基因組平臺包括大數(shù)據(jù)，高通量計算、人工智能部分?！睋?jù)汪衛(wèi)華介紹，通過高通量計算、機器學(xué)習(xí)等人工智能方法縮小和鎖定希望要找的材料范圍，然后再采用高通量制備和檢測快速篩選材料，這樣可以大大節(jié)約材料研發(fā)成本和周期，進而在關(guān)鍵材料領(lǐng)域取得重要突破。

從這個意義上來講，材料基因工程堪稱是“中國版的材料基因組計劃”。

材料基因組研究平臺項目概覽（效果圖）

超算做幫手

中科院物理研究所研究員劉淼，就是專門借助高性能計算等設(shè)備，開展材料基因工程研究的科學(xué)家。在他看來，超算設(shè)備對于材料科學(xué)意義重大。

“材料計算的需求是很大的?！苯赵谟捎⑻貭柟景l(fā)起的一場媒體專訪中，劉淼告訴《中國科學(xué)報》，國外的一些頂級超算設(shè)備，很多業(yè)務(wù)就是在做材料科學(xué)的計算。比如美國橡樹嶺國家實驗室、勞倫斯伯克利實驗室、美國國家能源研究科學(xué)計算中心的超算設(shè)備，“至少1/6以上的機時是用在材料相關(guān)領(lǐng)域的”。

在懷柔科學(xué)城，材料基因工程平臺也配備了專門的超算裝備。在由戴爾提供的高性能計算集群上，該平臺擁有160個計算節(jié)點和1個GPU節(jié)點，同時配置有英特爾OPA 100Gbps交換機和接近2PB的存儲系統(tǒng)。與此同時，中科院物理研究所還設(shè)置了“材料基因數(shù)據(jù)集群處理平臺”，包括一個小型的私有云系統(tǒng)。

“我們希望減少重復(fù)開發(fā)，因此需要代碼效率比較高，需要用到一些NoSQL的數(shù)據(jù)庫來進行開發(fā)。這其中，底層計算會大量用到英特爾相關(guān)的并行計算能力，比如MPI，以及一些數(shù)學(xué)的函數(shù)庫，這些對我們幫助非常大?！眲㈨嫡f道。

有了超算等硬件支撐，劉淼表示“希望挖掘蘊含在計算數(shù)據(jù)中的一些知識”。他舉例說，比如通過強大算力，短時間內(nèi)算出幾百上千材料的結(jié)構(gòu)信息、熱力學(xué)穩(wěn)定性、電子結(jié)構(gòu)信息等，再以這樣的材料數(shù)據(jù)流形成的數(shù)據(jù)儲備為基礎(chǔ)，向來自物理、化學(xué)、材料等領(lǐng)域的科學(xué)工作者提供檢索和查詢支撐。

“當(dāng)我們有足夠的材料基本信息之后，就可以做一些和數(shù)據(jù)科學(xué)交叉的事情，比如通過人工智能的方式，可以在沒有計算的前提下，去快速地預(yù)測材料性質(zhì)、篩選材料。”劉淼說。

材料科學(xué)研究駛?cè)肟燔嚨?/strong>

對于記者關(guān)于超算設(shè)備性能的提問，劉淼表示，現(xiàn)在的計算性能是按照現(xiàn)有以及短期內(nèi)的預(yù)期來架構(gòu)的，短期內(nèi)并不追求其性能高低，只追求其使用效率的最大化。

“我們當(dāng)然希望算力越多越好，超算作為工具，當(dāng)算力到達一定程度時，其可以做的事情就很多。比如單臺設(shè)備算力提高之后，許多計算任務(wù)就不必許多節(jié)點合并使用——我們現(xiàn)在經(jīng)常只在一臺設(shè)備里做獨立計算，這樣的話，如果我有多臺設(shè)備，它們之間的通訊成本就會降低，這是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)進步帶給我們的好處?！眲㈨祵τ浾哒f，其實現(xiàn)在很多數(shù)理學(xué)科的科學(xué)研究，其核心推動力就是工具的進步，比如冷凍電鏡、掃描隧道顯微鏡等。

劉淼還提到，目前在存儲設(shè)備上還沒有看到摩爾定律減緩的跡象，存儲技術(shù)的進步，讓他們的運算不必擔(dān)心數(shù)據(jù)“無處安放”，這也給他們提供了很多便利。

在超算等新興技術(shù)助力下，材料科學(xué)得以開啟“基因組時代”，相關(guān)研究也正駛?cè)肟燔嚨馈?/p>

“現(xiàn)在已經(jīng)有一些加速的跡象了。”劉淼告訴《中國科學(xué)報》，他此前曾參與鎂離子電池相關(guān)研究，該研究方向的提出是在20多年前，20年來都沒能找到比當(dāng)初更好的材料方案。直到有了高性能計算工具的幫助，他們很快在相關(guān)的材料庫中找到了比此前方案中性能高一倍的新材料，并通過最后的實驗驗證。

“這說明材料基因工程是行得通、有實效的，相信再過10~20年，會有更多顯著成果產(chǎn)出來?！眲㈨底詈笳f道。