超级计算机在材料科学中的应用: 大分子的第一性原理计算

-超大型系统的第一性原理可以处理比传统方法多100到1000倍的原子

材料由原子组成高性能计算机的结构，其物理性质取决于原子与电子之间的复杂相互作用. 理论研究人员可以使用量子力学来计算物质中原子与电子运动之间的相互作用力. 基于量子力学的第一个原理尤其被用作强大的工具，被广泛用于在原子尺度上表征和解释物质和材料的各种特性.

但是，由于高度复杂，模拟所需的时间随着原子总数的增加而三次增加. 在传统情况下，大多数基于第一原理构建的系统只能包含几百个原子. 现在，由戴维·鲍勒（David Bowler），日本国立研究院和伦敦大学纳米技术中心以及日本国立研究院的宫崎刚（Tsoyoshi Miyazaki）领导的团队成功发明了可以对大型动态系统进行有效仿真的第一原理计算方法可以模拟一个比传统方法超出原子数100到1,000倍（达到数百万个原子的水平）的系统. 这种方法提供了一种计算生物大分子和复杂物质（包括纳米材料）的原子或电子结构的方法，这是传统方法无法实现的.

他们的研究团队将第一性原理计算应用于高效的大型动态系统. 通过引入新技术，计算所需的时间随原子数的增加而线性增加，并且在RIKEN和东京大学安装的超级计算机“ K计算机”和FX10分别成功完成了300,000多个原子. 在系统中，这个数量级是传统方法所能达到的100倍. 他们的成就将为大型原子系统的第一性原理计算铺平道路.

图1超级计算机“ K计算机”使用O（N）方法（1CPU = 8核）使用程序的第一原理计算时间. 该计算在硅原子系统上执行. 横轴表示原子数高性能计算机的结构，表示百万原子级的第一原理计算是可行的. O（N）方法与并行计算相结合，可以使CPU数量增加一倍，从而使原子数量同时增加一倍（CPU可以处理两倍的原子数量）.

图2由第一原理计算的水介质中DNA的瞬时空间结构. 通过第一性原理计算，可以获得原子之间的相互作用力（与日本国立综合研究所共同研究）.

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