GPU 推動計算材料學研究

 

計算材料學(Computational Materials Science)是近年來飛速發展的一門新興交叉學科。它綜合了凝聚物理、材料物理學、理論化學、材料力學和工程力學、計算機算法等多個相關學科。學科旨在利用現代高速計算機,模擬材料的各種物理化學性質,深入理解材料從微觀到宏觀多個尺度的各類現象與特征,并對于材料的結構和物性進行理論預言,從而達到設計新材料的目的。

 

計算材料學主要包括兩個方面的內容:一方面是計算模擬,即從實驗數據出發,通過建立數學模型及數值計算,模擬實際過程;另一方面是材料的計算機設計,即直接通過理論模型和計算,預測或設計材料結構與性能。前者使材料研究不是停留在實驗結果和定性的討論上,而是使特定材料體系的實驗結果上升為一般的、定量的理論,后者則使材料的研究與開發更具方向性、前瞻性,有助于原始性創新,可以大大提高研究效率。因此,計算材料學是連接材料學理論與實驗的橋梁。

 

目前常用的計算方法包括第一性原理從頭計算法,分子動力學方法,蒙特卡洛方法,元胞自動機方法、相場法、幾何拓撲模型方法、有限元分析等。

 

以GPU 為代表的高性能計算技術有效提高了計算機的模擬能力,結合算法以及理論,在計算機虛擬環境下從納觀、微觀、介觀、宏觀尺度對材料進行多層次研究,也可以模擬超高溫、超高壓等極端環境下的材料服役性能,模擬材料在服役條件下的性能演變規律、失效機理,進而實現材料服役性能的改善和材料設計,有效減少了在優化材料和設計新工藝方面所必須進行的大量試驗。材料模擬和材料制備工藝大幅進步,極大地促進了新產品的優化和開發。