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    188宝金博页面版: 高性能计算在材料科学中的应用

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    内容提示： 52《高性能计算发展与应用》 　 　 　 　 　 　 ２０１１年第二期　 　 　 　 总第三十五期高性能计算在材料科学中的应用? 胡双林　 　 上海超级计算中心　 　 上海　 　 ２０１２０３　 　 ｓｌ ｈｕ＠ｓｓｃ．ｎｅｔ ．ｃｎ在当 今的科学研究中， 计算已和实验、 理论并列为三大科学方法。 随着计算技术的迅猛发展、科学理论模型日 渐成熟， 高性能计算在科学、 工程和社会等领域都有了广泛应用， 用它来模拟或代替实验已成为可能。 在地球地质、 气象气候、 测绘科学、 天体空间物理、 凝聚态物理、 高能物理、 计算化学、 分子生物学、 基因测序、 材料科学等领域，高性能计算已是必备的研究手段。 特别在物...

    文档格式：PDF | 页数：5 | 浏览次数：13 | 上传日期：2015-03-06 12:03:23 | 文档星级：
    52《高性能计算发展与应用》 　 　 　 　 　 　 ２０１１年第二期　 　 　 　 总第三十五期高性能计算在材料科学中的应用? 胡双林　 　 上海超级计算中心　 　 上海　 　 ２０１２０３　 　 ｓｌ ｈｕ＠ｓｓｃ．ｎｅｔ ．ｃｎ在当 今的科学研究中， 计算已和实验、 理论并列为三大科学方法。 随着计算技术的迅猛发展、科学理论模型日 渐成熟， 高性能计算在科学、 工程和社会等领域都有了广泛应用， 用它来模拟或代替实验已成为可能。 在地球地质、 气象气候、 测绘科学、 天体空间物理、 凝聚态物理、 高能物理、 计算化学、 分子生物学、 基因测序、 材料科学等领域，高性能计算已是必备的研究手段。 特别在物理、 化学、 生物、 材料等相关学科中， 根据目 前理论发展的基。 利用高性能计算可以观察到比实验现象更细致的层次， 或者对目 前比较昂贵或无法实现的实验观测进行理论模拟， 从而帮助解释实验结果， 理解自 然规律， 进一步指导实验过程。 高性能计算还有助于建立新的理论。计算材料科学材料在广义上是指能够满足某种需要的物质，狭义上则指具有某些物理化学性质， 可用于生产制造的物质或组分。 材料科学是利用物理、 化学、 生物等基础学科的知识、 理论和方法来研究材料的结构、 性质、 功能和应用并对其进行改造或发明新材料的交叉学科。 它受到社会需求、 资源状况、 技术水平等多方面因素的极大影响， 并与机械、 冶金、力学等学科关系紧密。计算材料科学是采用理论计算的方法来研究材料的学科。 对材料科学而言， 计算研究特别重要，因为计算不仅可以深入理解材料的细节， 节约研发成本， 而且在某些特殊情况下， 计算可以用来代替或指导实验。 例如， 材料还未能制备出来， 无法测量它们的性质； 有些材料可能会对人体健康有害，或者处在高压、 超低温、 强磁场等某些极端条件下， 实验测量很难实现或者耗费巨大。 　对不同空间尺度的研究对象， 计算材料科学有着不同的计算模型和方法。 在原子分子层次（约１０－ １０￣ １０－ ７米） ， 可以了解材料的电子、 光学、 磁性、热学、 力学等基本物理化学性质。 在该层次中， 量子力学效应显著， 材料会呈现很多奇特而优异的性质， 第一性原理计算和分子动力学是成熟而广泛应用的方法， 蒙特卡洛方法也常有应用。 在纳米到数百微米的尺度（ １０－ ９￣ １０－ ４米）上， 经常研究掺杂、 位错、 晶界等晶体缺陷， 晶体、 高分子材料的生长，有机分子的自 组装等现象， 分子力场和分子动力学是常用的研究方法。 在微米尺度（１０－ ６米） 以上，由于体系粒子数增多和复杂的多体作用效应， 涌现出很多新的物理作用机制， 因此需要相应新的理论和模型来描述。 材料从微米尺度慢慢进入宏观尺度后， 可对其进行合适的模型化， 屏蔽更小尺度的细节， 使得工程力学上的很多方法能得以应用。对材料尤其是各种信息、 能源材料的研究并不是只研究其静态性质， 还需要研究它们对外场的动态响应。 此外， 在材料的生长、 催化等过程中也需要关注其动态性质。 在进行动力学计算时需要考虑时间尺度， 一般材料中电子运动过程在阿秒到飞秒量级（１０－ １８￣ １０－ １５秒） ， 声子振动在数十飞秒到皮秒量级（１０－ １４￣ １０－ １２秒） ， 蛋白质折叠在微秒到毫秒量级（１０－ ６￣ １０－ ３秒） ， 腐蚀过程在年（约１０７秒） 的量级。 电子运动等较快的过程通常在频率域求解含时方程， 偶尔在时间域进行直接求解。 皮秒到微秒量级的范围内， 通常采用分子动力学方法进行研究，根据不同的对象和所需要测量的材料性质， 选择不同的方法和时间步长。材料的空间时间尺度划分并不是绝对的。 要制成一种实用的材料并确保它的特殊性能， 需要对其从原子层次到工业生产应用尺度的性质均有所了解。 这就要求进行多尺度研究， 将相邻的两个不同空间时间尺度连接起来。 有时采用某种重整化的策略， 将通过第一性原理计算得到的参数直接提供给高一级的粗粒度方法使用； 或者用精确耗时的方法来训练更高一级方法的参数， 进行快速大体系的计算， 以平衡精度和速度。 有时采用 分而治之的策略， 即把体系分成若干区域， 重要的部分如催化反应的中心使用高精度方法， 外围相连不太重要的环境部分使用低精度方法。随着高性能计算能力飞速提高， 材料科学应用领域大幅度扩展， 更大尺度的体系、 更长时间的动力学演化、 更精确的理论计算描述成为可能， 高性

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