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歷史上，每次新材料的發(fā)現(xiàn)都標志著社會文明進化。如今，環(huán)境污染和化石能源匱乏的問題日益顯著，為了人類的可持續(xù)發(fā)展，尋求開發(fā)新能源和可再生資源迫在眉睫。

第一性原理的計算軟件加速新能源的探索

太陽能和風能等新型能源雖然便利清潔，但受時空分布不均勻的特點限制，不能廣泛使用；這使得開發(fā)具有高能量密度和大功率密度的新型金屬離子電池尤為重要。

隨著計算機科學技術的迅猛發(fā)展,計算模擬在二次電池研究中扮演著越來越重要的角色,其中基于密度泛函理論的第一性原理計算模擬在分析和解釋鋰、鈉、鋁離子電池材料電池熱力學和動力學問題以及預測新型電極材料方面作用日益突出。

第一性原理方法是指不依賴于實驗輸入，直接從量子力學的基本原理出發(fā)，直接計算材料物理性質的方法。第一性原理方法的發(fā)展促進了材料科學研究模式由試錯法向智能設計的轉變，大大降低了新材料發(fā)展的周期和成本。

完全自主知識產(chǎn)權的第一性原理計算軟件ABACUS

作為材料計算最重要的工具，現(xiàn)在國際上已經(jīng)有很多第一性原理的計算軟件，包括大家非常熟悉的軟件如VASP, QE, CP2K等等。但遺憾的是目前還缺乏具有國際影響力的國產(chǎn)第一性原理計算軟件。何力新、陳默涵等主導，由中科大中國科學院量子信息重點實驗室與中科大網(wǎng)絡信息中心及中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心聯(lián)合的研究2007年開始著手，經(jīng)過十幾年的不斷發(fā)展和完善，開發(fā)了一款具有完全自主知識產(chǎn)權的第一性原理計算軟件ABACUS，目前ABACUS已經(jīng)成為具有功能完善、計算效率高等特點。

ABACUS擁有完全自主知識產(chǎn)權的一款DFT軟件，主要針對凝聚態(tài)材料模擬計算，通過求解Kohn-Sham方程得到材料基態(tài)電荷密度分布，并由此計算目標材料的各項物理性質。

ABACUS程序架構圖

ABACUS軟件與當前流行的其他DFT軟件相比，有一顯著的特征是同時支持平面波（Plane-wave，簡稱PW）和數(shù)值原子軌道（Numerical Atomic Orbitals）兩種基矢量。其中，該程序創(chuàng)新性地通過利用溢出函數(shù)（Spillage Function）來構造數(shù)值原子軌道，有效地提高了計算的精度和可移植性，并在復雜大體系的模擬中表現(xiàn)出高精度和高效率，可以研究包含數(shù)千原子的系統(tǒng)的物理性質。

ABACUS與VASP對比，計算效率高達VASP的10倍以上

“智算+”API生態(tài)接口為Deep Modeling社區(qū)提供海量算力

DFT軟件理論上可以通過數(shù)值模擬來直接預測新材料，但是目前還面臨一些困難。例如對交換關聯(lián)泛函近似的方法有許多種，不同的近似對于不同的材料計算精度各有千秋，若要達到更高精度，往往意味著更大的計算量。

ABACUS采取了依據(jù)LGPL協(xié)議的開源合作的開發(fā)方式，加入了Deep Modeling社區(qū)。深勢科技服務中臺和Lebesgue平臺已經(jīng)通過“智算+”API生態(tài)接口與海量計算資源成功對接，深勢科技服務中臺能將作業(yè)提交到曙光計算服務平臺AC.sugon.com，Lebesgue平臺可以實現(xiàn)監(jiān)控、調度作業(yè)和文件上傳下載等功能，成功構建了Deep Modeling社區(qū)“新理論+新算法+海量算力”的國內第一性原理理論發(fā)展平臺。

基于機器學習的深度勢能方法，可以模擬很多大尺寸、高精度的系統(tǒng)，比如水的相圖（可模擬14中冰相）、高熵合金、表面化學反應、結構動力學、燃燒、溫稠密物質等，利用DFT訓練數(shù)據(jù)，原子間的相互作用數(shù)可以實現(xiàn)很大的原子尺度模擬，同時加大模擬的時間尺度。

國內第一性原理理論的發(fā)展和應用展望

在計算技術與機器學習方法飛速發(fā)展的今天，理論計算有望真正突破科學邊界，解決接近現(xiàn)實世界的復雜問題。第一性原理理論完備，兼具準確性與靈活性，正釋放出巨大的潛力。

未來，ABACUS軟件平臺將會結合Deep Modeling社區(qū)中的各種開源工具，基于曙光計算服務海量算力的支撐，將第一性原理方法打造成為能解決實際問題的軟件工程，拓展電子、能源、化工、生物醫(yī)藥等工業(yè)領域的應用，發(fā)揮更大的科學和社會價值。

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