漫談并行模擬在材料物理中的應用

楊芳 孔偉 周青軍

摘 要 本文介紹了日益流行的并行模擬的發展現狀，給出了正在發展的幾個國家級重要并行模擬中心。同時，本文還淺談了并行模擬在材料等離子體物理中的兩個應用。

關鍵詞 教學科研 并行模擬 材料物理

1背景

能源科學、信息科學并稱為現代科學的三大產業支柱。近年來，隨著信息科學的不斷進步，超級計算機獲得了飛速的發展，基于高性能計算的材料設計是加速功能材料研發的重要途徑，是世界強國持續投入大量人力和物力展開競爭的核心領域。超級計算機的應用，有望實現人類未曾嘗試過的大尺度、長時間和高通量的材料計算與設計，最終為實驗制備新型材料提供強有力的支持。國家十三五規劃高性能計算重點專項明確提出“圍繞我國材料科學領域對高通量E級計算的需求，研發自主知識產權的涵蓋第一性原理、微觀分子動力學和宏觀動力學演化的應用軟件系統，實現對能源、信息、制造等領域新型材料的E級數值模擬，獲得具有顯示度的數值模擬成果”，上述國家層面的規劃，確認了高性能計算在材料科學中的重要作用。我國從2009年至今，成功建設了一批具有國際先進水平的超級計算中心，這包括：國家超級計算天津中心、國家超級計算長沙中心、國家超級計算濟南中心、國家超級計算廣州中心、國家超級計算深圳中心、國家超級計算無錫中心。這些超級計算中心的建立，有力地促進了國內各個學科的發展，滋生了規模宏大的衍生產業群。其中特別值得一提的是，我國首個國家超級計算天津中心已經發展成為技術積累最為成熟、利用效率最為充分的計算平臺，它已經在氣象預報、衛星遙感、生物制藥、石油勘探、航空航天、海洋環境、大氣監控、新材料開發和設計等方面獲得了廣泛的應用。

2等離子體在材料科學中的兩個問題

近年來，直流電弧等離子體大規模應用于新材料合成、加工處理、廢棄物處理等領域。該類等離子體的流動狀態、流場中的傳熱和輸運特性變化、等離子體與物體的相互作用規律直接決定了被制備材料的性能。當前，等離子體熱加工中存在兩個亟待解決的問題：（1）由于電弧在電極表面附近總是存在無規則的跳動，同時等離子體射流會繼承電源輸出的波動、聲波震蕩等特征，一般應用的直流電弧等離子體大多呈非定常流動狀態，在局域熱力學平衡下，物質的導熱系數、電導率、比熱等性質都隨等離子體的溫度和壓力變化，如何獲得理想的物質特性與等離子體流場的控制密切相關，通常情況下，基于經驗的實驗操作無法形成具有普遍意義的流場控制規律，同時也無法揭示其內在物理機制；（2）電弧等離子體射流中含有電離、解離、激發態等高活性成分，這使得在材料的加熱工藝中，除了與被加熱物體間常規的熱交換機制以外，還存在電離、解離組分在材料表面的復合反應熱交換以及退激換熱等過程，為了分析并改善被加工材料的性能，復雜熱交換過程日漸受到重視。在以往的研究中，受限于大規模并行計算資源匱乏，大部分研究人員利用小型計算機對局域空間的物理過程進行了初步分析，獲得了一定的研究成果，但距離實際應用還有很大的差距。為了獲得符合實驗操作的直流電弧等離子體控制方案，同時也為了分析改善被制備材料的物理化學性能，學界和工業界開始尋求長時間、大空間尺度的動力學模擬對上述問題加以解決。

3并行模擬在我校材料物理中的應用現狀

材料科學的發展正在逐漸摒棄粗糙加工、機械重復等傳統手段，高精度、海量數據處理、模擬與實驗相結合是未來的發展趨勢。并行模擬技術能夠極大的促進我校材料學科中等離子體加工技術的應用，有望獲得一系列具有實際指導意義的應用成果，推動更多研究人員利用超級計算機解決長期困擾的計算緩慢、模擬時空尺度有限、分辨率不高等一系列問題（從事應用模擬的其它研究人員，可以利用大規模并行機器高效的從事各項研究工作）。材料學科的發展需要新的增長點，國內重點研究單位已經開始具體行動并得到了國家層面的認可，例如吉林大學超硬材料國家重點實驗室聯合中國科學技術大學、北京應用物理與計算數學研究所、中國科學院計算機網絡信息中心和中國工程物理研究院核物理與化學研究聯合申請的國家重點研發計劃高性能計算重點專項“面向E級計算的材料科學計算軟件系統與應用”已經于2016年10月啟動。反觀我校材料物理專業，相關的模擬研究工作依然主要局限于小型商業并行計算機的使用，在國家超級計算中心的利用方面極為貧乏，某種程度上，這制約了我校材料物理專業的進一步的發展。作者有充足的理由認為并行模擬技術并將帶動我校相關學科的發展。本人已經在國家超級計算中心開展了相關模擬工作，相信會有越來越多的科研工作者利用大規模并行機開展研究任務。

4結論

并行模擬技術已經在很多高校和科研院所獲得了應用，相關的科技成果也不斷涌現，本文通過分析當前我國并行發展以及我校的應用現狀，指出了大規模模擬技術是提高我校材料物理學科發展的一個可選途徑。