1-19、材料高通量计算的特征及应用

杨明理

四川大学材料基因工程研究中心，成都 610065

摘要：高通量计算是材料基因工程的关键技术之一。材料高通量计算利用高性能计算资源，依托高通量分布式计算和自动流程管理系统，结合多尺度计算方法和软件，实现材料体系的计算、模拟、仿真、设计和筛选，获得候选新材料的微观结构特征、制备加工参数、物理化学性质、服役性能和寿命等信息，指导新材料的制备、表征和服役评价，提高新材料的设计水平和筛选效率，缩小实验筛选范围，是实现材料按需设计和理性设计的基础。

传统的材料计算以高性能计算为主要方式，通过建立理论模型和数值计算来预测或设计材料的结构与性能。高通量计算针对计算密集型任务，通过收集和高效率分配资源来完成大量计算任务。材料基因工程框架下的材料高通量计算是传统材料计算与现代高通量计算的结合。材料体系的多成分、多结构层次、多工艺流程、复杂服役环境等多变量多因素特征驱动了材料高通量计算方法和技术的发展。

材料高通量计算由以下特征：（1）支持材料成分-结构的多参量设计和筛选，从大量初始结构经筛选获得具备目标功能的候选结构；（2）设计和筛选流程智能化和自动化，通过集成系列软件及功能模块建立目标材料的全自动筛选流程；（3）计算资源的高效利用，采用高通量或云计算等先进技术支持多用户和多任务运行和管理；（4）融合数据库资源，利用数据资源设计构建材料体系计算模型，计算结果反馈给数据库。

材料高通量计算与理论、实验和数据相互融合，组成材料基因工程关键技术，支持实现转变研发模式、提高研发效率等目标。材料理论模型、计算方法和应用软件的发展，有利于扩展材料高通量计算的应用范围和提高计算效率。高通量实验与计算互为支撑和验证，共同丰富材料数据，有利于揭示材料成分-组织结构-服役性能之间的关联。

材料高通量计算将向平台化和专门化方向发展。依托超算等高性能计算资源，建立新材料设计和筛选平台；针对各类典型材料，发展计算方法和软件，建立专门的高效设计和筛选流程。材料高通量计算与材料大数据、人工智能等领域也将走向深度融合，形成计算-数据之间的循环。

国内外已经建立了部分各具功能特色的材料高通量计算平台，在新材料设计和筛选方面发挥了积极作用。

致谢：本报告部分内容来源于国家重点研发计划专项《材料基因工程关键技术与支撑平台》的参与单位和人员。

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.119