张平、王涛：超算为创造新材料构建更多值得想象的空间

专访嘉宾：北京应用物理与计算科学研究所研究员 张平

上海超级计算中心首席科学计算工程师 王涛
主 持 人：至顶网副总编赵效民

赵效民：各位观众大家好，欢迎收看本期《走进超算》系列节目，我是至顶网的副总编赵效民，其实我们在很多电影里面看到非常炫的战斗机，隐性的，隐性的战舰，大家觉得非常神秘，还能在武侠里面看到削铁如泥的什么玄铁剑，这个都与我们今天谈的话题有关，就是材料科学。材料其实大家随时都能碰见，比如说拿的纸，穿的衣服，前面的笔记本电脑，都是由不同的材料组成的，今天共同探讨一下材料科学与超算之间的关系。我们今天非常荣幸的请到了两位嘉宾，分别是北京应用物理与计算科学研究所的张平研究员和上海超级计算中心首席科学计算工程师王涛工程师。张平研究员您好。

张平：您好。

赵效民：另外一位是上海超级计算中心首席科学计算工程师王涛先生。所有我们今天这个话题首先是由材料科学展开的。很多人对材料科学到底是干什么的还是有一些疑问？请张平先生给我们解释一下材料科学到底是什么科学？跟我们老百姓到底是什么关系呢？

张平：材料科学是以研究材料的性能、组织以及组织背后的科学原理的一门科学，大家都知道材料作为科学之前，实际上它已经贯穿于人类的整个历史之中，大家知道人类从旧石器时代到新石器时代到青铜器时代，到铁器时代，到现代的工业文明时代经过了几次大的材料发明的变革，材料作为一门科学，现代文明的技术发展实际上有近百年的历史，它有两个方面的冲击，一个是两次世界大战的冲击，一个是现代工业文明的冲击。受了两次冲击以后材料作为现代意义上的科学技术发展起来。

赵效民：我们知道您刚才的例子我觉得很有意思，实际上材料科学从人类有文明之后就开始有这样的历史了。

张平：对。

赵效民：大家知道那个时候材料都是天然的，拿石头就是石头，拿木头就是木头，哪天从天上掉一个陨石就是玄铁，所谓的科学您认为是研究现有的这些物质组成呢？还是研究通过现有物质的不同组合材料的不同再分配出现新的材料？

张平：您说的这两方面都有，一方面对现有材料的认识和组合比如说我们现有的元素一共有100多种元素，如何从100多种元素里面挑选出来合适的元素进行冶炼，进行铸造，进行加工，进行改性这是科学的一个重要的内容，另外一面我们还要解决未来材料，现在没有的材料解决新的能源问题，如我们健康的问题，现在的工业文化，我们现代信息技术，纳米技术，这需要新的材料，虽然现在这个元素进行组合，但是目前还没有得知新的材料。

赵效民：我们觉得是不是最明显的例子，跟大家经常能看到的例子就是合金，合金的金属算一个很典型的材料科学的？

张平：对，合金的冶炼已经贯穿到人类的整个历史，你刚才说的玄铁剑，剑本身如果用生铁铸造一把剑，本身很脆，但是如果再生铁里面掺入一定的碳变成一种钢，叫碳钢，这时候加入少量1%-2%的碳以后铁的强度骤然上升到100倍，是原来钢、铁的100倍，如果添如其他的材料，比如说锰、添入铬、添入镍等等这种强度又会增加很多，同时钢的韧度会增加很多，这是通过合金的一些技术集中的体验。还有改变材料工艺，通过一定的淬火组织加工锻造，这个加工方面的技术使性质得到很大的提高，以便我们更好的应用这些材料。

赵效民：张老师您主要研究材料研究科室是做什么？

张平：我是做国防材料方面的需求，主要是针对聚变和裂变材料在极端条件下材料特性的碳的研究。

赵效民：有时候看电视里面讲，看科幻片，这么快想到核电池，放到手机上能够一年或者一辈子不充电，这是不是跟材料科学有很大的关系？

张平：有很大的关系，您刚才举这个例子非常生动，但是目前还不是特别的有，因为核电有一定的辐射性，当手机电不太合适，但是在我们开发外太空的时候利用核能进行能量的释放这是比较合适的。

赵效民：今天我们也知道我们在清华正在进行中国首届大学生超算大赛，这个大赛里面有几个规则，比赛的项目我们发现其中有一个CPMD和CP2K两种算例，我们发现它其实都跟跟材料科学有很大的关系的，引出今天主要的话题，超算对于材料科学到底有什么样的帮助和影响？

张平：应该说超级计算机出现以来，就现在来看极大的促进了材料科学的开发，首先是一个是促进材料方面的科学发展，我们做研究很多方面根据现有的材料获得重要的发现，基于计算机，在计算机里面进行模拟一些完整的钢用材料，通过这些钢用材料可以产生一些新的洞察，另外一方面超算可以极大的解决材料性能一些方面的知识。另外一方面我们可以利用超级计算机来人工的设计一些具有特殊性能的材料，最后我们还可以利用超级计算机把现有的材料，把材料性质方面的数据做成一个庞大的数据库提供给人类需要。

赵效民：王老师上海超算中心算是中国最早一个比较强的一个商业超算中心，来接受外来科研单位的计算的请求，材料科学目前来看对超算需求大吗？

王涛：实际上材料科学或者跟材料相关的计算任务是非常大的，据我们统计跟材料相关的计算任务消耗的计时超过60%以上，不光是上海超算中心是这样，在全球的各大超算中心跟材料相关的科学计算任务都是一直占到非常大的比重，不管是从任务的数目来说还是从任务的规模来说，数十万个甚至上百万个核CPU模拟一个材料计算，都是经常会发现这样计算任务出现的。实际上在超算对材料科学促进作用，随着近几年的计算技术的进步以及计算机技术的进步越来越起到进步作用。

我们这个材料有很多奇妙的性质，但是人们会想，他这个性能为什么会出现？你要研究这个原理需要一些理论方法，通过理论化得到一些计算，我如果实现另外一个性质我应该跟这个原理做什么设计呢？我在设计的时候是不是得到信任呢？通过理论的方法来计算模拟把他算出来，是不是得到光学性质，电学性质，如果算出来通过这样的设计，增加这样的原则或者增加这样的分子结构，得到这样结构以后，得到这样的性质通过试验真正做出来，再去实测，往往会发现我原来通过这个理论模拟设计出来的东西确实是我想要的东西，这样的方式极大的减少没有任何方向化试验做的很大浪费，不能很清楚认识这个事情的本质是什么？通过这个试验模拟，通过这个理论分析很清楚的认识我这个物质到底是什么原因导致有这样的材料，具有这样的特性，我怎么去根据我的需求去设计这个新的物质，得到我需要的特性。

赵效民：张老师从您具体研究这一块看，不用超算行不行？

张平：我觉得不行。

赵效民：对您来说是必须得。

张平：对我来说是必须得，对国防领域的材料来说是必须得，对现代工业方面比如说我们现代的信息技术很发达，使得微电子的产品做的越来越小，已经小到几纳米，我们对纳米技术材料本身的性能，它的组织结构，他对环境的影响，导电怎么样这个系统的设计，就像研究人类基因一样进行系统方面的研究，必须采用超级计算机进行系统的研究才能缩短研究周期，加快我们国家的知识创新的建设。

赵效民：王老师您同意吗？是不是超算已经成为材料科学里面必备的工具了？

王涛：我非常同意这个观点，随着人类技术的进步，人类一些机械或者材料越做越小，纳米材料是材料领域里面非常重要的一部分，在上海超算很多用户里面主要是做纳米科学研究的，我们做的纳米机械，比如很小的我们都知道水泵，如果我们做纳米级的水泵怎么来做？我们前两年有一个上海应用物理研究所一个科学家设计出来一个纳米级的水泵，通过他的设计导致水在纳米管中流动，这是一个非常有意义的成果，做成非常微小的纳米机械，像这样的东西试验没有认知之前通过试验去得到这个我想困难是非常非常大的，通过计算设计计算模拟发现有这样一个现象出现，有这样一个物品得到，通过试验验证出来，极大减少成本和精力。

赵效民：其实网友还是不太了解超算对于材料科学来说是一个工具的说法，我们可以举一个例子，我们上中学或者上小学都会用到显微镜，我们知道显微镜探索微观世界必备的工具，其实刚才王老师谈到纳米的技术，纳米技术伴随着电子显微镜的发展，我们看到纳米世界到底怎么样的情况？超算可以模拟出一个结果，但是真正产品出来以后我要观察这个产品到底怎么样通过电子显微镜去观察？我们可不可以这样认为如果显微镜为科研工作者打开了一个微观世界，超算其实为科研工作者打开了一个未来想象空间，我可以这样认为吗？

张平：可以这样认为。

赵效民：超算可以增加一个想象，把这个物质跟这个物质分子上，原子上去整合匹配一下，诞生出一个新的产品出来？会不会给您一个想象空间出来？

张平：是的，大家知道材料科学是非常有魅力的，他的魅力在于把100多种元素按照我们的想法把这个元素组合成尽可能多的方式满足这个生产生活的需要。

赵效民：其实您现在所做的工作就是拿超算的大机器然后去找哪些东西能匹配出我需要的需求。大家都在研究这个东西。

张平：是的。

赵效民：王老师您对全球超算也比较了解，能不能给我们说说全球超算在材料科学研究领域里面的他的目前的一些规模，比如运算量，具体的哪些国家比较领先？

王涛：取决于超级计算机的规模，比如说现在排名前十的国外超级计算机，一般的计算规模体现在数十万个核，甚至数百万个核，我所说的核是CPU处理单元这么一个单位计算同样一个任务，这样一个任务什么好处呢？当我设计一个材料的时候？当我需要知道更精细的作用，我用的方法更准确，或者这个材料体系更大的时候他的计算量越来越大，这个计算量情况下必须用超大规模的机械来模拟这样一个东西，当然如果说你用的方法比较简单，用牛顿力学的方法，涉及到很小的材料你可能用小规模的机械，你越模拟跟现实越接近，越是产品化的东西，计算规模越来越上去，计算量越来越大。

就像您刚才讲的每个人他的想象力的空间，是把各个原子组合起来的，试验把合生出来那个成本太大了，每想一个我不知道什么样子，我用计算机模拟我可能用一天的时间把他算出来，我换一个花一天的时间，那个成本很小，而且很快找到符合你需要的东西。现在国内国外超级计算机在材料科学主要的差距不是人们想法上的差距，每个人创新的意识，国内科学家和国外科学家差距不大，唯一差距就是我们计算规模和国外计算规模还是有差距的，尽管“天河一号”曾经拿到世界第一了，他已经给我们提供了很大的计算资源，但是能用上这个计算资源的科学家不多，这个资源非常有限，很多人想用，但是资源就这么一台，怎么用？美国他超大规模的计算机非常大，基本上前几年排名前第一或者前十名的计算机百分之七八十都是美国的，所以他的科研工作做得非常好，大家都有机会，有这么多计算资源使用计算资源做科研工作。

赵效民：听您说这个感觉，感觉我不知道张老师是不是有这种感觉，科研也像一个战场，各个国家也在竞争，不是说枪炮之争超算这个工具也算武器，有的国家超算水平只能说是炻器时代或者冷兵器时代，像美国已经到核武器时代了。

张平：您这个比喻非常形象，我完全可以接受。

赵效民：张老师您自己评价一下您自己拿的什么武器？

张平：我现在很惭愧，现在国内计算材料的软件程序甚至包括我们的平台很多大部分都是国外的一些软件，我们在这方面特别在材料设计方面的品牌建设方面我们和欧美、和日本有不小得差距。
赵效民：我们老说计算能力，计算能力，地球上的元素就是那么多，排列组合有那么大计算量能算到一辈子，能算到无止境？

张平：是的，应该是无止境的，我们可以举一个例子，比如说我们要研发飞机，喷气发动机的飞机发动机的涡轮叶片耐高温的核心材料，这种核心材料一般都是四种或者五种金属材料还有其他材料搀杂进行合解，我们从一百种里面选一种就是一百种，再从一百里面选一种就是一百种，乘起来就是一万种，再选一百种就是一百万种，如果是五元核心话大家有多少种，每种元素比例还都一样，比例成份还不一样，我们研究他们对温度的响应等等。

赵效民：大家明确了材料对材料科学来说很大模拟的设备，模拟未来可能的按一种东西。如果你还不明白就像我们玩电脑玩PS，你试试比如我的鼻子放在李宇春的脸上会是什么效果，比如说姚明的脑袋放在我身上什么效果，你用PS就知道，所以这个超算就是给我们提供了这么一个很好的探索未来的一个工具，就像一个哈勃望远镜一样的，我们可能永远达不到去不了一百亿光年以外的空间里面，但是通过这个望远镜我们可以看到一百亿光年以外的到底是什么样子？所以说的确给我们有很多的想象空间。说到科幻今天有一部非常著名的美国大片上映，《超级战舰》讲美国海军跟外星人在海战的情景，刚才您也说了您重点研究国防领域的我就特别感兴趣，请两位聊一聊我们超算跟材料科学结合的一个比较好的例子，成果或者你们好的一些故事跟我们分享一下？

张平：从我的研究经历来说在非常极端的条件下，什么极端就是温度非常高，或者压力非常高，压力压到什么程度？一个大拇指大小的容器里面可以装上一公斤重的氢，氢是地球上最轻的元素，如果大拇指大小的容器装上一公斤的氢大家可以想像氢受到的压力多大？大概有一千亿个大气压这么大，我们可以看到氢再这样大的压力下，在很高的温度下可以达到一千万度甚至上亿度氢会有什么样的效能，这个很新能源，比如说聚变能源有非常紧密的关系，认识到这种材料在这种特殊环境下物质的状态对我们未来开发聚变能源是非常有帮助的，这一块目前超算对这块研究是推动非常大的。

赵效民：我觉得您研究这个材料我穿上这个是不是可以上太阳看看了。王老师呢？

王涛：我这里有非常多的例子，因为在上海超算中心科学家们从事的行业各种各样，比如说我们都知道石棉，石棉对人体有伤害，为什么对人体有伤害？这个成果去年2011年中科院一位科学家把这个原因解释出来了，他的意思是说我们人体的细胞接触到失眠尖端的时候他认为是一个小东西，把他吞进去，吞到一半的时候发现情况不秒，失眠是一个很长的东西，吞不下去，于是报警了告诉你的细胞说我中毒了，白细胞消灭掉，可是消灭不掉，说是细胞明明知道这么长，吞不下为什么吞？是因为前面圆弧形状导致细胞认为可以吞到，如果换一个尖端换一个平的他可能就不吞了。
再举一个例子，比如说我们用的锂电池，也是去年的应用物理科学家做的工作，通过做成纳米级的锂电池，就可以做成纳米级别的锂电池，在纳米通道上把锂离子做出来，就可以做成纳米级的锂电池。这是一个方面，另外一个方面比如说催化材料，比如说我们做石油，我们知道汽油它是氢能源危机，大家知道汽油价格越来越贵，一个很好的办法，很好的办法，很高效的催化剂把沥青变成汽油，现在手段不太好，可能转化率比较低，用更好的催化剂转化成汽油油价不就降下来了嘛。比如说新能源领域，太阳能电池，太阳能电池对光的吸收转化率不高，这么多太阳能照下来多少能够变成电能，如果再上面设计成一些很好的涂料图上去能够吸收转化率，这个图上去怎么设计，分子怎么设计，他的转化率就会比较高一点，这样工作是我们超算中心和美国科学家合作做过这样一个事情，目前的转化率就已经非常高了。

您讲的隐形材料当然这属于军事涉秘，在我们超算中心不涉及到，还有另外一个燃料电池，甲醇是一种有可能转化为燃料电池的材料之一，但是甲醇氢气产生出来变成可然气体，也是前两年清华大学做的一项工作，他发现了甲醇脱氢的一个机理，设计出了非常好的催化剂，效率越来越高，所以说在材料科学里面通过计算发现很多人们不知道的事情，能明白人们只看到现象，知其然不知道所以然，现在通过超级计算大家知道他为什么会这样 。

赵效民：我觉得两位嘉宾说得非常精彩，让我们切实感受到材料科学的进步对我们生活当中的帮助。我们看到材料科学的进步后面的超算作为一个千万级的工具所产生的作用。我是不是可以用一句话来总结一下，如果材料无处不在的话，我们也可以认为超算是无处不在的。

张平：将来有可能达到这个状态。

赵效民：今天我们回到超算的话题，今天的确在大学生超算大赛现场，所以说谈谈大赛吧，两位对这次首届中国大学生超算大赛有什么感想？

张平：首先我非常高兴听说有这样一次大赛现在如火如荼的开展，这次大赛专门关于材料设计方面的竞赛，对CP2K这两个软件都是欧洲软件开发的，他们用在材料设计方面，他们的原理都是量子学原理设计新型的材料，这次大赛可能会推动国内的年轻人进一步开发出我们国家自主产权的高性能材料计算，材料设计软件能够在这方面能够起到很好的推动作用，衷心的希望这次大赛在这方面取得进展。

王涛：我觉得这次高性能计算大赛是中国第一季做这样的事情，我觉得非常有意义，而且早就应该进行这样的工作，这是浪潮集团做的，是做得非常好的事情，为什么呢？因为我们超算中心基本上每年都参加美国的超级计算大会和德国的超级计算大会，每年都会有大学生超级计算大赛，那么在那里面我看到的华人的面孔很少，每年组委会跟我们说你们中国那么大，超级计算越来越多，为什么不培养年轻人对这个东西的兴趣，不派年轻人参加这个活动，我觉得这次活动是非常非常有意义的活动，让大学生对超级计算——因为以前涉及到计算模拟往往都是研究生的时候做课题的时候接触到这个东西，在本科生的时候接触不到，在国外很多本科生就已经接触到这个东西了，我们跟他们的差距已经有了，通过这次比赛促使很多本科生阶段对超级计算有一定的兴趣，他能够投入更多的时间和更多的精力去研究这个事情或者关注这个事情，我相信这是非常非常有意义的事情，对国内高性能计算事业的发展是很大的推动作用。我相信在将来的时间里面，随着我们计算技术的进步，所谓计算技术就是我们的计算方法，我们发现了或者发明了更准确的计算方法，更高效率的计算软件，我们造出了更强有力的计算机，并行效率更好或者计算能力更高的计算机，我们相信我们在将来的实践里面我们所有的材料或者相关的东西都可以通过计算模拟的手段算出来，之所以现在通过试验来验证是因为计算手段不够好，如果将来我们的计算技术得到更好的发展，我们不需要通过计算试验，计算机说你是对的，你都不用去试你就是对的，计算机说他是这样子他就是这样子，你都不用去试。

赵效民：又给我们展开了新得更多联想。我们也知道这次首届中国大学生超算比赛也是ISC12年度的国际大学生超算比赛的中国区的预算赛，中国区的冠亚军代表中国参加6月份在德国汉堡举行的总决赛，这个结果应该是明天就能出来，两位为我们未来的代表中国参加冠亚军的队伍送上一句祝福。

张平：衷心祝福他们未来的事业中取得好名次，然后继续保持比赛的状态，尽快开发出我们国家具有自主知识产权，具有高度创新意义的超算方面的产品来。

王涛：我祝愿他们在ISC的大学生高性能计算赛上发挥自己的水平，多多学习国外相关计算的经验，在将来的研究和工作中能够尽可能的推动高性能计算事业的发展。

赵效民：好，到此结本本期的视频节目告一段落了，非常感谢两位嘉宾给我们带来非常美妙的材料科学的世界，希望更多的网友，更多的年轻的学生对此感兴趣，加入到材料科学的科研队伍中，我们说到材料无处不在，如果想让生活变得更好，我们的确研制出更好，更优秀的材料，再次感谢两位嘉宾今天作客我们的节目，感谢网友的收看谢谢大家！