漫谈并行模拟在材料物理中的应用

    杨芳 孔伟 周青军

    摘 要 本文介绍了日益流行的并行模拟的发展现状，给出了正在发展的几个国家级重要并行模拟中心。同时，本文还浅谈了并行模拟在材料等离子体物理中的两个应用。

    关键词 教学科研 并行模擬 材料物理

    1背景

    能源科学、信息科学并称为现代科学的三大产业支柱。近年来，随着信息科学的不断进步，超级计算机获得了飞速的发展，基于高性能计算的材料设计是加速功能材料研发的重要途径，是世界强国持续投入大量人力和物力展开竞争的核心领域。超级计算机的应用，有望实现人类未曾尝试过的大尺度、长时间和高通量的材料计算与设计，最终为实验制备新型材料提供强有力的支持。国家十三五规划高性能计算重点专项明确提出“围绕我国材料科学领域对高通量E级计算的需求，研发自主知识产权的涵盖第一性原理、微观分子动力学和宏观动力学演化的应用软件系统，实现对能源、信息、制造等领域新型材料的E级数值模拟，获得具有显示度的数值模拟成果”，上述国家层面的规划，确认了高性能计算在材料科学中的重要作用。我国从2009年至今，成功建设了一批具有国际先进水平的超级计算中心，这包括：国家超级计算天津中心、国家超级计算长沙中心、国家超级计算济南中心、国家超级计算广州中心、国家超级计算深圳中心、国家超级计算无锡中心。这些超级计算中心的建立，有力地促进了国内各个学科的发展，滋生了规模宏大的衍生产业群。其中特别值得一提的是，我国首个国家超级计算天津中心已经发展成为技术积累最为成熟、利用效率最为充分的计算平台，它已经在气象预报、卫星遥感、生物制药、石油勘探、航空航天、海洋环境、大气监控、新材料开发和设计等方面获得了广泛的应用。

    2等离子体在材料科学中的两个问题

    近年来，直流电弧等离子体大规模应用于新材料合成、加工处理、废弃物处理等领域。该类等离子体的流动状态、流场中的传热和输运特性变化、等离子体与物体的相互作用规律直接决定了被制备材料的性能。当前，等离子体热加工中存在两个亟待解决的问题：（1）由于电弧在电极表面附近总是存在无规则的跳动，同时等离子体射流会继承电源输出的波动、声波震荡等特征，一般应用的直流电弧等离子体大多呈非定常流动状态，在局域热力学平衡下，物质的导热系数、电导率、比热等性质都随等离子体的温度和压力变化，如何获得理想的物质特性与等离子体流场的控制密切相关，通常情况下，基于经验的实验操作无法形成具有普遍意义的流场控制规律，同时也无法揭示其内在物理机制；（2）电弧等离子体射流中含有电离、解离、激发态等高活性成分，这使得在材料的加热工艺中，除了与被加热物体间常规的热交换机制以外，还存在电离、解离组分在材料表面的复合反应热交换以及退激换热等过程，为了分析并改善被加工材料的性能，复杂热交换过程日渐受到重视。在以往的研究中，受限于大规模并行计算资源匮乏，大部分研究人员利用小型计算机对局域空间的物理过程进行了初步分析，获得了一定的研究成果，但距离实际应用还有很大的差距。为了获得符合实验操作的直流电弧等离子体控制方案，同时也为了分析改善被制备材料的物理化学性能，学界和工业界开始寻求长时间、大空间尺度的动力学模拟对上述问题加以解决。

    3并行模拟在我校材料物理中的应用现状

    材料科学的发展正在逐渐摒弃粗糙加工、机械重复等传统手段，高精度、海量数据处理、模拟与实验相结合是未来的发展趋势。并行模拟技术能够极大的促进我校材料学科中等离子体加工技术的应用，有望获得一系列具有实际指导意义的应用成果，推动更多研究人员利用超级计算机解决长期困扰的计算缓慢、模拟时空尺度有限、分辨率不高等一系列问题（从事应用模拟的其它研究人员，可以利用大规模并行机器高效的从事各项研究工作）。材料学科的发展需要新的增长点，国内重点研究单位已经开始具体行动并得到了国家层面的认可，例如吉林大学超硬材料国家重点实验室联合中国科学技术大学、北京应用物理与计算数学研究所、中国科学院计算机网络信息中心和中国工程物理研究院核物理与化学研究联合申请的国家重点研发计划高性能计算重点专项“面向E级计算的材料科学计算软件系统与应用”已经于2016年10月启动。反观我校材料物理专业，相关的模拟研究工作依然主要局限于小型商业并行计算机的使用，在国家超级计算中心的利用方面极为贫乏，某种程度上，这制约了我校材料物理专业的进一步的发展。作者有充足的理由认为并行模拟技术并将带动我校相关学科的发展。本人已经在国家超级计算中心开展了相关模拟工作，相信会有越来越多的科研工作者利用大规模并行机开展研究任务。

    4结论

    并行模拟技术已经在很多高校和科研院所获得了应用，相关的科技成果也不断涌现，本文通过分析当前我国并行发展以及我校的应用现状，指出了大规模模拟技术是提高我校材料物理学科发展的一个可选途径。