近日，中國科學技術大學針對大尺度數萬原子分子固體體係的第一性原理計算模擬，以低標度平麵波高精度計算軟件DGDFT為基礎，在國產“神威·太湖之光”超級計算機上實現了千萬核超大規模並行計算，研究成果以“High performance computing of DGDFT for tens of thousands of atoms using millions of cores on Sunway TaihuLight”為題在線發表於《Science Bulletin（科學通報）》上，《中國科學》雜誌社為此發表了評論。該刊是由中國科學院主管，中國科學院、國家自然科學基金委員會主辦的自然科學綜合性學術期刊，主要刊發自然科學各學科基礎理論和應用研究方麵具有創新性、高水平、重要意義的最新研究成果。
圖1 《Science Bulletin》期刊論文頁麵
這項成果由我院安虹課題組與合肥微尺度物質科學國家研究中心、化學與材料科學學院的楊金龍課題組聯合攻關，在無錫超級計算中心和中國科學院軟件研究所研究人員的緊密配合下完成。
神威·太湖之光超級計算機係統是我國也是世界第一台理論浮點計算能力達到十億億次量級的超級計算機係統。相比於同時代的商用多核處理器，申威眾核處理器擅長處理規則且易於並行的計算密集型任務，具有更大規模的多級並行計算單元和獨特的片上存儲結構，其上的並行算法設計和性能優化麵臨許多挑戰，迫切需要在重大應用問題的驅動下，發展其上的算法設計和優化實現方法。
DGDFT(Discontinuous Galerkin Density Functional Theory)方法是利用自洽場(Self-Consistent Field, SCF)迭代過程中動態生成的自適應局域基函數(Adaptive Local Basis, ALB)來求解KS (Kohn-Sham)方程，具有可媲美平麵波基組的高精度計算結果。在神威•太湖之光上完成了超大規模高性能DFT計算模擬結果表明，DGDFT方法可以在神威•太湖之光超級計算機上並行擴展到8,519,680個計算處理核(131,072個核組)，用於研究含有數萬碳原子(11520碳原子)的二維金屬石墨烯體係的電子結構性質。
圖2 DGDFT的ALB基組，塊狀三對角Hamiltonian矩陣，流程圖，神威主從核並行加速
超級計算機和高性能計算技術的快速發展，使得基於KS方程密度泛函理論(KS-DFT)的第一性原理計算模擬在凝聚態物理、材料科學、化學和生物等研究領域變得越來越重要。隨著國產超級計算機的快速發展，很有必要發展相應的理論算法和超大規模並行計算軟件，從而充分發揮出這些超級計算機強大的計算能力，模擬研究更大尺度的物理化學問題。這次由我院安虹教授牽頭組織，通過超算應用團隊、軟件移植和性能優化團隊，與基礎算法庫開發團隊以及國家超算中心硬件技術支持團隊的緊密合作，把我校理論與計算化學的低標度理論算法與國產高性能並行計算軟硬件的優勢結合起來，充分發揮了國產神威•太湖之光超級計算機的強大計算能力；開發了低標度、低通訊，低內存、低訪存的並行計算方法；實現了具有平麵波精度的千萬核超大規模高性能並行計算。同時，模擬體係的大小（數萬原子）比國際同等平麵波精度的計算模擬軟件提高了數百倍。這一成果說明，借助當代最先進的計算方法和世界頂級高性能計算平台，大體係、長時間的高精度第一性原理材料模擬已成為現實。
我院安虹教授領導的先進計算機係統和高性能計算團隊，長期深耕於高性能計算芯片和係統研究領域，已經積累了大量的超算應用軟件開發和優化經驗。2019年他們在校內牽頭組織了多個E級重大應用合作攻關項目，通過與校內科學和工程計算優勢團隊的緊密協作，目前這些項目均在神威平台上取得重要研究進展，初步展現出188金宝慱体育版 多個雙一流學科深度交叉協作在研發國產科學與工程計算軟件，解決重大科學與工程問題時的獨特優勢。
