近日，中国科学技术大学针对大尺度数万原子分子固体体系的第一性原理计算模拟，以低标度平面波高精度计算软件DGDFT为基础，在国产“神威·太湖之光”超级计算机上实现了千万核超大规模并行计算，研究成果以“High performance computing of DGDFT for tens of thousands of atoms using millions of cores on Sunway TaihuLight”为题在线发表于《Science Bulletin（科学通报）》上，《中国科学》杂志社为此发表了评论。该刊是由中国科学院主管，中国科学院、国家自然科学基金委员会主办的自然科学综合性学术期刊，主要刊发自然科学各学科基础理论和应用研究方面具有创新性、高水平、重要意义的最新研究成果。
图1 《Science Bulletin》期刊论文页面
这项成果由我院安虹课题组与合肥微尺度物质科学国家研究中心、化学与材料科学学院的杨金龙课题组联合攻关，在无锡超级计算中心和中国科学院软件研究所研究人员的紧密配合下完成。
神威·太湖之光超级计算机系统是我国也是世界第一台理论浮点计算能力达到十亿亿次量级的超级计算机系统。相比于同时代的商用多核处理器，申威众核处理器擅长处理规则且易于并行的计算密集型任务，具有更大规模的多级并行计算单元和独特的片上存储结构，其上的并行算法设计和性能优化面临许多挑战，迫切需要在重大应用问题的驱动下，发展其上的算法设计和优化实现方法。
DGDFT(Discontinuous Galerkin Density Functional Theory)方法是利用自洽场(Self-Consistent Field, SCF)迭代过程中动态生成的自适应局域基函数(Adaptive Local Basis, ALB)来求解KS (Kohn-Sham)方程，具有可媲美平面波基组的高精度计算结果。在神威•太湖之光上完成了超大规模高性能DFT计算模拟结果表明，DGDFT方法可以在神威•太湖之光超级计算机上并行扩展到8,519,680个计算处理核(131,072个核组)，用于研究含有数万碳原子(11520碳原子)的二维金属石墨烯体系的电子结构性质。
图2 DGDFT的ALB基组，块状三对角Hamiltonian矩阵，流程图，神威主从核并行加速
超级计算机和高性能计算技术的快速发展，使得基于KS方程密度泛函理论(KS-DFT)的第一性原理计算模拟在凝聚态物理、材料科学、化学和生物等研究领域变得越来越重要。随着国产超级计算机的快速发展，很有必要发展相应的理论算法和超大规模并行计算软件，从而充分发挥出这些超级计算机强大的计算能力，模拟研究更大尺度的物理化学问题。这次由我院安虹教授牵头组织，通过超算应用团队、软件移植和性能优化团队，与基础算法库开发团队以及国家超算中心硬件技术支持团队的紧密合作，把我校理论与计算化学的低标度理论算法与国产高性能并行计算软硬件的优势结合起来，充分发挥了国产神威•太湖之光超级计算机的强大计算能力；开发了低标度、低通讯，低内存、低访存的并行计算方法；实现了具有平面波精度的千万核超大规模高性能并行计算。同时，模拟体系的大小（数万原子）比国际同等平面波精度的计算模拟软件提高了数百倍。这一成果说明，借助当代最先进的计算方法和世界顶级高性能计算平台，大体系、长时间的高精度第一性原理材料模拟已成为现实。
我院安虹教授领导的先进计算机系统和高性能计算团队，长期深耕于高性能计算芯片和系统研究领域，已经积累了大量的超算应用软件开发和优化经验。2019年他们在校内牵头组织了多个E级重大应用合作攻关项目，通过与校内科学和工程计算优势团队的紧密协作，目前这些项目均在神威平台上取得重要研究进展，初步展现出中国科大多个双一流学科深度交叉协作在研发国产科学与工程计算软件，解决重大科学与工程问题时的独特优势。
