材料高通量计算与应用

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。材料高通量计算依托高性能计算资源，依托 工作流程管理系统，结合多尺度计算方法和软件，实现材料体系的设计、计算和筛选，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。

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。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方法的 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。

材料高通量计算将传统上需要实验完成的“试错法”改由计算模拟完成，通过大幅度缩小实验 试错空间，降低研发成本和缩短研发时间，是计算材料学在新材料研发中的工程化应用，具有以 下基本特征:(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 目标材料的自动筛选工作流程;(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。

国内外已经建立了一些各具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。在“十三五”国家重点研发计划《材料基因工程关键技术与支撑平台》重点专项的支持下， 我国材料高通量计算技术及平台建设取得较大进展。

材料高通量计算将向平台化、专门化和智能化方向发展。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。 

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。