戈登貝爾獎（ACM Gordon Bell Prize）設立于 1987年，由美國計算機學會頒發，被稱為超算界的「諾貝爾獎」。該獎項每年頒發一次，用以表彰高性能計算領域取得的杰出成就。獎金 1 萬美元，由高性能和并行計算領域先驅戈登·貝爾提供。

近日，在全球超級計算大會 SC23 上，2023年ACM 戈登貝爾獎授予了美國和印度研究人員組成的 8 人國際團隊，他們實現了大規模量子精度的材料模擬。相關項目名稱為「量子精度的大規模材料建模：金屬合金中準晶體和相互作用擴展缺陷的從頭計算模擬」。

團隊成員分別來自密歇根大學、橡樹嶺國家實驗室、以及印度科學研究所（班加羅爾）。

獲獎團隊成員。

此前 2021 年戈登貝爾獎授予 14 人組成的中國超算應用團隊，成員來自之江實驗室及國家超級計算無錫中心、清華大學、上海量子科學研究中心，以表彰該團隊基于我國新一代神威超級計算機的應用「超大規模量子隨機電路實時模擬」。再往前，中國超算應用團隊還曾在 2016 年、2017 年連續兩年摘得戈登貝爾獎。

研究概覽

我們知道，分子動力學是使用計算機模擬來更好地理解系統內原子和分子運動的過程。Ab initio（拉丁語，從頭計算）是分子動力學的一個分支， 該技術已被證明對物理和化學中的重要問題特別有效，包括更好地理解微觀機制、獲得材料科學的全新洞見以及證明實驗數據等。

論文地址：https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3581784.3627037

由密歇根大學機械工程、材料科學與工程教授 Vikram Gavini 領導的這項研究使用了美國能源部橡樹嶺國家實驗室的 Frontier（1.14 exaflop HPE Cray EX超級計算機），通過薛定諤方程采用第一性原理方法進行模擬，該方程描述微觀系統，包含它們的概率性質。據介紹，其結果可用于幫助設計新合金的候選材料，并推動藥物發現等其他計算設計工作。

Gavini 的團隊在 Frontier 和 Summit 超級計算機上使用了集成計算框架，以模擬由近 7.5 萬原子組成的鎂系統中的錯位或缺陷。鎂合金是輕質合金的有希望的候選者，但鎂原子結構中的空缺錯位可能會導致脆性和開裂。了解鎂合金中的錯位可以為工業帶來更輕、更靈活的合金。

本文與以往工作的比較。

該團隊也在使用美國國家能源研究科學計算中心的 Perlmutter 超算來研究鐿鎘合金中準晶體（一種有序但非周期性的結構）的穩定性。

這些計算依賴于密度泛函理論，這是一種計算材料原子和電子結構的量子力學方法，并使用機器學習來達到接近量子多體計算所提供的精度水平。他們使用了 Frontier 的 8000 個節點，最大計算量達到 659.7 petaflops。

「隨著我們努力實現更高的準確性，可利用的計算系統數量急劇下降，」Gavini 表示。「我們使用較小系統上的量子多體計算結果，并使用機器學習來推斷電子的普遍本構關系，該關系可用于更大的密度泛函理論計算。結合這些方法，我們才能夠利用像 Frontier 這樣的大型機器的優勢，同時接近量子精度。」

本文方法概覽，在量子精度上實現大規模材料模擬。

這項研究是 Frontier 團隊十年來努力的最新里程碑。此前，2019 年的一項研究使用 Summit 模擬了 1 萬余個鎂原子，也獲得了戈登貝爾獎提名。

合金的生產過程有關金屬的熔化與混合。在凝固過程中形成的缺陷可能有助或有害于材料性能。材料的原子結構在這些線缺陷（通常稱為錯位）的行為中起著至關重要的作用。

像鋁這樣的延展性金屬受益于原子結構，允許金屬適應錯位及其運動。鎂的原子結構無法輕易容納錯位，使其性質更脆。

「在適當的情況下，這些缺陷可以創造出前所未有的特性，」Gavini  介紹道。「為什么會形成這些缺陷？我們如何利用這些缺陷來帶來所需的而不是不良的特性？在此前的研究中，我們探索了塊狀鎂中單個錯位的能量。在這項研究中，我們研究了鎂合金中相互作用的擴展缺陷。」

其結果得出了這種結構迄今為止最詳細的圖像，其精度接近量子精度。Gavini 希望將這些方法應用于廣泛的研究。

「如果我們能夠以接近量子精度進行這些大規模計算，就意味著我們可以通過計算設計來設計更好的材料，探索用于藥物發現的化合物，以新的水平了解納米粒子和材料系統的特性細節，」Gavini  說道。「如果沒有百億億次計算和 Frontier，我們將無法進行這些類型的計算。現在我們知道了如何去做，我們可以廣泛應用這些方法來探索其他問題。」

據研究團隊介紹，該方法可以在許多科學領域廣泛使用，并回答從航空航天到醫學等數十年來一直存在的一些具有挑戰性的問題。