2023 戈登贝尔奖揭晓:Frontier 超算「量子级精度」质料摹拟获奖

编辑 | 泽南、杜伟戈登贝尔奖(ACM Gordon Bell Prize)设立于 1987年,由美国较量争论机学会颁发,被称为超算界的「诺贝尔奖」。该奖项每年颁发一次,用以表彰高性能较量争论领域取得的杰出成就。奖金 1 万美元,由高性能和并行较量争论领域先驱戈登·贝尔提供。近日,在全球超级较量争论大会 SC23 上,2023年ACM 戈登贝尔奖授予了美国和印度钻研人员组成的 8 人国际团队,他们实现了大规模量子精度的质料摹拟。相关项目名称为「量子精度的大规模质料建模:金属合金中准晶体和相互作用扩展缺点的从头较量争论摹拟」。团队成员分

2023 戈登贝尔奖揭晓:Frontier 超算「量子级精度」质料摹拟获奖

编辑 | 泽南、杜伟

戈登贝尔奖(ACM Gordon Bell Prize)设立于 1987年,由美国较量争论机学会颁发,被称为超算界的「诺贝尔奖」。该奖项每年颁发一次,用以表彰高性能较量争论领域取得的杰出成就。奖金 1 万美元,由高性能和并行较量争论领域先驱戈登·贝尔提供。

近日,在全球超级较量争论大会 SC23 上,2023年ACM 戈登贝尔奖授予了美国和印度钻研人员组成的 8 人国际团队,他们实现了大规模量子精度的质料摹拟。相关项目名称为「量子精度的大规模质料建模:金属合金中准晶体和相互作用扩展缺点的从头较量争论摹拟」。

团队成员分别来自密歇根大学、橡树岭国家实验室、以及印度科学钻研所(班加罗尔)。

2023 戈登贝尔奖揭晓:Frontier 超算「量子级精度」质料摹拟获奖

获奖团队成员。

此前 2021 年戈登贝尔奖授予 14 人组成的中国超算应用团队,成员来自之江实验室及国家超级较量争论无锡中心、清华大学、上海量子科学钻研中心,以表彰该团队基于我国新一代神威超级较量争论机的应用「超大规模量子随机电路实时摹拟」。再往前,中国超算应用团队还曾在 2016 年、2017 年连续两年摘得戈登贝尔奖。

钻研概览

我们知道,分子动力学是应用较量争论机摹拟来更好地理解零碎内原子和分子运动的过程。Ab initio(拉丁语,从头较量争论)是分子动力学的一个分支, 该技术已被证明对物理和化学中的重要问题特别有效,包括更好地理解微观机制、获得质料科学的全新洞见以及证明实验数据等。

2023 戈登贝尔奖揭晓:Frontier 超算「量子级精度」质料摹拟获奖

论文地址:https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3581784.3627037由密歇根大学机械工程、质料科学与工程教授 Vikram Gavini 领导的这项钻研应用了美国能源部橡树岭国家实验室的 Frontier(1.14 exaflop HPE Cray EX超级较量争论机),通过薛定谔方程采用第一性原理格式进行摹拟,该方程描述微观零碎,包含它们的概率性质。据介绍,其结果可用于帮助安排新合金的候选质料,并推动药物发现等其他较量争论安排工作。

Gavini 的团队在 Frontier 和 Summit 超级较量争论机上应用了集成较量争论框架,以摹拟由近 7.5 万原子组成的镁零碎中的错位或缺点。镁合金是轻质合金的有希望的候选者,但镁原子结构中的空缺错位可能会导致脆性和开裂。了解镁合金中的错位可以为工业带来更轻、更灵活的合金。

2023 戈登贝尔奖揭晓:Frontier 超算「量子级精度」质料摹拟获奖

本文与以往工作的比较。

该团队也在应用美国国家能源钻研科学较量争论中心的 Perlmutter 超算来钻研镱镉合金中准晶体(一种有序但非周期性的结构)的稳定性。

这些较量争论依赖于密度泛函理论,这是一种较量争论质料原子和电子结构的量子力学格式,并应用机器学习来达到亲近量子多体较量争论所提供的精度水平。他们应用了 Frontier 的 8000 个节点,最大较量争论量达到 659.7 petaflops。

「随着我们努力实现更高的准确性,可利用的较量争论零碎数量急剧下降,」Gavini 表示。「我们应用较小零碎上的量子多体较量争论结果,并应用机器学习来推断电子的普遍本构关系,该关系可用于更大的密度泛函理论较量争论。结合这些格式,我们才能够利用像 Frontier 这样的大型机器的优势,同时亲近量子精度。」

2023 戈登贝尔奖揭晓:Frontier 超算「量子级精度」质料摹拟获奖

本文格式概览,在量子精度上实现大规模质料摹拟。

这项钻研是 Frontier 团队十年来努力的最新里程碑。此前,2019 年的一项钻研应用 Summit 摹拟了 1 万余个镁原子,也获得了戈登贝尔奖提名。

合金的生产过程有关金属的熔化与混合。在凝固过程中形成的缺点可能有助或有害于质料性能。质料的原子结构在这些线缺点(通常称为错位)的行为中起着至关重要的作用。

像铝这样的延展性金属受益于原子结构,允许金属适应错位及其运动。镁的原子结构无法轻易容纳错位,使其性质更脆。

「在适当的情况下,这些缺点可以创造出前所未有的特性,」Gavini  介绍道。「为什么会形成这些缺点?我们如何利用这些缺点来带来所需的而不是不良的特性?在此前的钻研中,我们试探了块状镁中单个错位的能量。在这项钻研中,我们钻研了镁合金中相互作用的扩展缺点。」

其结果得出了这种结构迄今为止最详细的图像,其精度亲近量子精度。Gavini 希望将这些格式应用于广泛的钻研。「如果我们能够以亲近量子精度进行这些大规模较量争论,就意味着我们可以通过较量争论安排来安排更好的质料,试探用于药物发现的化合物,以新的水平了解纳米粒子和质料零碎的特性细节,」Gavini  说道。「如果没有百亿亿次较量争论和 Frontier,我们将无法进行这些类型的较量争论。现在我们知道了如何去做,我们可以广泛应用这些格式来试探其他问题。」

据钻研团队介绍,该格式可以在许多科学领域广泛应用,并回答从航空航天到医学等数十年来一直存在的一些具有挑战性的问题。

参考内容:https://awards.acm.org/bellhttps://news.engin.umich.edu/2023/11/material-simulation-with-quantum-accuracy-wins-gordon-bell-prize/https://www.hpcwire.com/off-the-wire/ornls-frontier-achieves-near-quantum-accuracy-in-alloy-simulation-contends-for-gordon-bell-prize/

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