GPU 推动计算材料学研究

 

计算材料学(Computational Materials Science)是近年来飞速发展的一门新兴交叉学科。它综合了凝聚物理、材料物理学、理论化学、材料力学和工程力学、计算机算法等多个相关学科。学科旨在利用现代高速计算机,模拟材料的各种物理化学性质,深入理解材料从微观到宏观多个尺度的各类现象与特征,并对于材料的结构和物性进行理论预言,从而达到设计新材料的目的。

 

计算材料学主要包括两个方面的内容:一方面是计算模拟,即从实验数据出发,通过建立数学模型及数值计算,模拟实际过程;另一方面是材料的计算机设计,即直接通过理论模型和计算,预测或设计材料结构与性能。前者使材料研究不是停留在实验结果和定性的讨论上,而是使特定材料体系的实验结果上升为一般的、定量的理论,后者则使材料的研究与开发更具方向性、前瞻性,有助于原始性创新,可以大大提高研究效率。因此,计算材料学是连接材料学理论与实验的桥梁。

 

目前常用的计算方法包括第一性原理从头计算法,分子动力学方法,蒙特卡洛方法,元胞自动机方法、相场法、几何拓扑模型方法、有限元分析等。

 

以GPU 为代表的高性能计算技术有效提高了计算机的模拟能力,结合算法以及理论,在计算机虚拟环境下从纳观、微观、介观、宏观尺度对材料进行多层次研究,也可以模拟超高温、超高压等极端环境下的材料服役性能,模拟材料在服役条件下的性能演变规律、失效机理,进而实现材料服役性能的改善和材料设计,有效减少了在优化材料和设计新工艺方面所必须进行的大量试验。材料模拟和材料制备工艺大幅进步,极大地促进了新产品的优化和开发。