隨著全球科技競爭日益激烈，人工智能與模擬計(jì)算的深度融合正在加速新材料研發(fā)的智能化變革。本月，北京龍訊曠騰科技有限公司創(chuàng)始人汪林望教授，分享了其深耕材料計(jì)算領(lǐng)域三十余年的工作經(jīng)驗(yàn)，并重點(diǎn)介紹了DFT+HPC+AI技術(shù)如何賦能材料計(jì)算。

從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)應(yīng)用的智能躍遷

汪林望教授是國際材料計(jì)算領(lǐng)域的權(quán)威專家，也是首位獲戈登·貝爾獎(jiǎng)的華人，1999年至2021年在美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室供職，距今發(fā)表SCI論文超400篇，在2024年Elsevier全球2%科學(xué)家終身科學(xué)影響力榜單中，在中國區(qū)排名156位。2021年，他回到祖國的懷抱入職中科院半導(dǎo)體所，于此同時(shí)將自己多年來開發(fā)的代碼進(jìn)行商業(yè)落地，開啟創(chuàng)業(yè)生涯，致力于推動(dòng)國產(chǎn)材料計(jì)算軟件的智能化發(fā)展?！暗谝淮I(yè)軟件利用有限元以及經(jīng)典牛頓力學(xué)模擬器件及工藝行為，但并不涉及材料性質(zhì)的優(yōu)化。后工業(yè)時(shí)代更強(qiáng)調(diào)新型材料的研發(fā)，而要模擬材料性質(zhì)，必須從原子層面著手，求解電子的量子力學(xué)方程”汪林望教授如是說。

2015年，汪林望教授團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出首款基于GPU加速的平面波密度泛函計(jì)算軟件PWmat，奠定了國產(chǎn)材料計(jì)算軟件的基礎(chǔ)。PWmat凝聚了汪教授三十多年算法開發(fā)與實(shí)際應(yīng)用的心血，如今，PWmat已進(jìn)化至5.0版本，有近百萬行的代碼，并在近幾年深度融合AI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從“計(jì)算輔助”到“智能驅(qū)動(dòng)”的跨越。第一性原理計(jì)算意味著在不需要任何實(shí)驗(yàn)測量的情況下，僅憑對(duì)量子力學(xué)的求解，就可以預(yù)測材料的物理、化學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等各方面的性質(zhì)。這是一個(gè)強(qiáng)大的工具，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)也許永遠(yuǎn)不能測量到每個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)軌跡，但第一性原理計(jì)算可以。經(jīng)過長年積累，龍訊曠騰公司開發(fā)了80多個(gè)計(jì)算各種材料性質(zhì)的模塊，這大大增加了底層核心軟件PWmat 的預(yù)測能力。第一性原理計(jì)算已經(jīng)滲入到材料科學(xué)研究的方方面面，在當(dāng)今時(shí)代，當(dāng)人們提到材料研究的理論工作，大多數(shù)均指第一性原理計(jì)算。但另一方面，在工業(yè)界，第一性原理計(jì)算被用得并不多，這與經(jīng)典的工業(yè)軟件形成了鮮明的對(duì)比。在工業(yè)界，材料的研發(fā)和優(yōu)化大多還處在一種盲目試錯(cuò)的階段。如何利用材料計(jì)算將這種盲目試錯(cuò)變成理性設(shè)計(jì)，這正是汪林望教授的愿望，而將原子級(jí)別的材料計(jì)算推向工業(yè)界也是龍訊曠騰公司的宗旨。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一大挑戰(zhàn)，是如何將第一性原理計(jì)算的幾千原子的微觀尺度擴(kuò)展到與大多數(shù)工藝相關(guān)的介觀尺度。AI的出現(xiàn)為跨越這一尺度上的鴻溝提供了一個(gè)新的方向。

“AI正在重塑材料科學(xué)的研究新范式?！蓖袅滞淌诮榻B，“但AI不會(huì)替代第一性原理模擬計(jì)算，它們是一種互補(bǔ)的關(guān)系”。在材料領(lǐng)域，AI 的訓(xùn)練數(shù)據(jù)大多來自于第一性原理計(jì)算，但反過來AI可大大擴(kuò)展第一性原理模擬的空間與時(shí)間尺度，將第一性原理的微觀尺度擴(kuò)大到介觀尺度，從而能夠描述很多工業(yè)界中的工藝過程。PWmat的MatPL機(jī)器學(xué)習(xí)力場模塊通過AI訓(xùn)練海量材料計(jì)算數(shù)據(jù)，可自動(dòng)優(yōu)化計(jì)算參數(shù)，使分子動(dòng)力學(xué)模擬效率提升幾個(gè)數(shù)量級(jí)，也為材料篩選開辟一條新的道路。例如，在鋰電池材料研發(fā)中，傳統(tǒng)方法需數(shù)月實(shí)驗(yàn)篩選，而AI+計(jì)算模擬可在幾天內(nèi)預(yù)測最優(yōu)材料組合，大幅縮短研發(fā)周期。

此外，龍訊曠騰正在打造AI FOR MATERIALS產(chǎn)品系列體系，除了上面提到的MatPL機(jī)器學(xué)習(xí)力場，還囊括了基于原子電荷密度的機(jī)器學(xué)習(xí)力場、電池?cái)?shù)字化研發(fā)平臺(tái)、科研智能助手、工藝參數(shù)優(yōu)化平臺(tái)等。這些平臺(tái)，整合了全球公開材料數(shù)據(jù)庫與行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，可智能推薦材料設(shè)計(jì)方案，幫助企業(yè)減少試錯(cuò)成本。另外，以AI Agent為基礎(chǔ)的智能化計(jì)算能讓第一性原理計(jì)算變得十分方便易用，讓它不再是理論工作者的特權(quán)，而可惠及千千萬萬的實(shí)驗(yàn)工作者，讓用上第一性原理計(jì)算發(fā)揮更大的作用。 汪林望教授強(qiáng)調(diào)：“未來的材料研發(fā)將是‘人工智能+智能計(jì)算+實(shí)驗(yàn)’三位一體的模式，而國家對(duì)算力發(fā)展的重視與資金投入將成為其核心加速器。”

國產(chǎn)替代需求激增帶來新的機(jī)遇

在中美科技競爭背景下，國產(chǎn)替代需求激增，具有國產(chǎn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的PWmat軟件成為科研用戶青睞的對(duì)象，與此同時(shí)，得益于PWmat在研發(fā)初期的前瞻性布局，錨定大體系計(jì)算的策略已逐步顯現(xiàn)出起跑線跑贏的局勢，作為為數(shù)不多能夠承載工業(yè)界計(jì)算數(shù)據(jù)量的第一性原理計(jì)算軟件，敏銳的工業(yè)廠商已將PWmat應(yīng)用于產(chǎn)品線的關(guān)鍵階段。目前，PWmat已應(yīng)用于半導(dǎo)體、新能源、結(jié)構(gòu)材料等多個(gè)領(lǐng)域，第一性原理計(jì)算的認(rèn)知革命也已從各行業(yè)的頂級(jí)廠商逐步向下滲透。， 同時(shí)，結(jié)合各行業(yè)雨后春筍般的人工智能使用場景，PWmat正在發(fā)揮不可估量的功效。“AI不僅提升了計(jì)算速度，更改變了企業(yè)的研發(fā)邏輯——從‘經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)’轉(zhuǎn)向‘理性驅(qū)動(dòng)，再到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)’?！?/span>

資本加碼助力打造全球智能計(jì)算平臺(tái)

中國材料計(jì)算市場潛力巨大，2025年1月賽迪顧問發(fā)布最新權(quán)威白皮書，其中統(tǒng)計(jì)調(diào)研了2024年AI在材料研發(fā)中參與的占比情況，從公示的數(shù)據(jù)來看，除電池材料研發(fā)利用AI輔助設(shè)計(jì)已達(dá)到37%，在大熱的半導(dǎo)體材料研發(fā)領(lǐng)域，AI的輔助僅滲透11%，顯示材料研發(fā)中AI的參與占比不足2%。在材料研發(fā)過程中，第一性原理計(jì)算與AI均屬認(rèn)知初步滲透、未來持續(xù)可期、回報(bào)難以估量的風(fēng)口階段，因此龍訊曠騰正通過資本力量加速二者相結(jié)合的布局：

AI融合研發(fā)：投入資金構(gòu)建“AI+材料”開放平臺(tái)，吸引全球開發(fā)者共建算法生態(tài)；

國產(chǎn)AI芯片適配：與具備國產(chǎn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的硬件廠商合作，優(yōu)化PWmat在國產(chǎn)硬件集群上的性能，實(shí)現(xiàn)全棧自主可控；

智能工業(yè)解決方案：推出AI材料設(shè)計(jì)SaaS服務(wù)，助力企業(yè)低成本接入智能研發(fā)。

重新定義材料科學(xué)新標(biāo)準(zhǔn)

“AI將讓材料計(jì)算從‘工具’進(jìn)化為‘伙伴’?！蓖袅滞淌谡雇?，未來5年，龍訊曠騰的目標(biāo)是建成全球最大的材料AI計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)“輸入需求—智能計(jì)算—輸出配方”的全自動(dòng)研發(fā)流程。

隨著中國在AI與工業(yè)軟件領(lǐng)域的雙重突破，國產(chǎn)材料軟件正迎來黃金時(shí)代。正如汪林望教授所言：“在這個(gè)AI重構(gòu)科學(xué)的時(shí)代，我們不僅要追趕，更要引領(lǐng)——讓世界看到中國智造的計(jì)算之力。”