188bet足球精準智能(neng)(neng)化學重點實驗(yan)室商紅慧教(jiao)授(shou)和(he)(he)我(wo)系楊金龍教(jiao)授(shou)團隊(dui)與中國(guo)(guo)科(ke)學院計算(suan)技術(shu)研究所(suo)劉穎高級工(gong)程師(shi)，華東師(shi)范大學何曉教(jiao)授(shou)等(deng)團隊(dui)合作(zuo)完成(cheng)(cheng)的(de)研究成(cheng)(cheng)果(guo)“Pushing the Limit of Quantum Mechanical Simulation to the Raman Spectra of a Biological System with 100 Million Atoms”成(cheng)(cheng)功(gong)入(ru)圍2024年(nian)(nian)戈登·貝(bei)爾獎(jiang)(jiang)(jiang)，這是(shi)(shi)2024年(nian)(nian)入(ru)圍該(gai)(gai)獎(jiang)(jiang)(jiang)的(de)唯一中國(guo)(guo)團隊(dui)成(cheng)(cheng)果(guo)，也是(shi)(shi)該(gai)(gai)團隊(dui)繼2021年(nian)(nian)后再次入(ru)圍該(gai)(gai)獎(jiang)(jiang)(jiang)項。戈登·貝(bei)爾獎(jiang)(jiang)(jiang)是(shi)(shi)國(guo)(guo)際高性能(neng)(neng)計算(suan)應(ying)用領(ling)域(yu)最高獎(jiang)(jiang)(jiang)，由美國(guo)(guo)計算(suan)機協會（ACM）頒發，用于(yu)表彰世界范圍內高性能(neng)(neng)計算(suan)的(de)杰出成(cheng)(cheng)就，尤(you)其(qi)是(shi)(shi)高性能(neng)(neng)計算(suan)應(ying)用于(yu)科(ke)學、工(gong)程和(he)(he)大規(gui)模數(shu)據分析領(ling)域(yu)的(de)創新工(gong)作(zuo)，被稱為“超(chao)算(suan)領(ling)域(yu)的(de)諾貝(bei)爾獎(jiang)(jiang)(jiang)”。此前，該(gai)(gai)成(cheng)(cheng)果(guo)也獲得了2024年(nian)(nian)中國(guo)(guo)計算(suan)機學會(CCF)“中國(guo)(guo)超(chao)算(suan)年(nian)(nian)度最佳(jia)應(ying)用獎(jiang)(jiang)(jiang)”。

入圍ACM Gorden Bell獎

獲得(de)“中國超算年度(du)最佳應用獎”

拉(la)曼光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)是研(yan)究(jiu)生(sheng)物(wu)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)結構(gou)(gou)的(de)(de)(de)重要工具(ju)，被(bei)廣泛應用于(yu)藥物(wu)開(kai)發、疾(ji)病診斷等領(ling)域，然而，拉(la)曼光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)量(liang)子(zi)(zi)(zi)模(mo)(mo)擬(ni)(ni)計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)量(liang)巨(ju)大(da)(da)。此(ci)前的(de)(de)(de)拉(la)曼光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)量(liang)子(zi)(zi)(zi)模(mo)(mo)擬(ni)(ni)僅能(neng)(neng)處理數千原子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)小體系，研(yan)究(jiu)團(tuan)隊(dui)開(kai)發的(de)(de)(de)QF-RAMAN程(cheng)(cheng)(cheng)序突(tu)(tu)破了(le)(le)(le)(le)這一限(xian)制，首次實(shi)(shi)現了(le)(le)(le)(le)包含1億多(duo)原子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)新冠病毒刺(ci)突(tu)(tu)蛋白在(zai)水(shui)溶液中(zhong)的(de)(de)(de)拉(la)曼光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)量(liang)子(zi)(zi)(zi)模(mo)(mo)擬(ni)(ni)，與以往(wang)工作相比取(qu)得(de)(de)了(le)(le)(le)(le)4~5個數量(liang)級(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)提升。這一突(tu)(tu)破的(de)(de)(de)實(shi)(shi)現得(de)(de)益(yi)于(yu)團(tuan)隊(dui)在(zai)算(suan)(suan)(suan)法(fa)(fa)設計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)和工程(cheng)(cheng)(cheng)技(ji)術(shu)方(fang)面(mian)的(de)(de)(de)多(duo)項創新。在(zai)傳統(tong)密(mi)度(du)泛函理論（DFT）和密(mi)度(du)泛函微擾理論（DFPT）計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)中(zhong)，計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)量(liang)隨(sui)體系規(gui)模(mo)(mo)的(de)(de)(de)增大(da)(da)呈現三次方(fang)增長，這使得(de)(de)計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)通(tong)常只能(neng)(neng)局限(xian)于(yu)小型(xing)體系。針對(dui)以上問題(ti)，團(tuan)隊(dui)開(kai)發了(le)(le)(le)(le)將全電(dian)子(zi)(zi)(zi)全勢密(mi)度(du)泛函微擾理論與量(liang)子(zi)(zi)(zi)分(fen)(fen)塊算(suan)(suan)(suan)法(fa)(fa)深度(du)融合(he)的(de)(de)(de)新方(fang)法(fa)(fa)，將復(fu)雜(za)生(sheng)物(wu)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)分(fen)(fen)解(jie)為多(duo)個子(zi)(zi)(zi)系統(tong)，顯著(zhu)降低(di)了(le)(le)(le)(le)計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)復(fu)雜(za)度(du)。同(tong)時團(tuan)隊(dui)針對(dui)海量(liang)分(fen)(fen)塊計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)的(de)(de)(de)負載均(jun)衡難(nan)題(ti)，開(kai)發了(le)(le)(le)(le)分(fen)(fen)塊體量(liang)敏感的(de)(de)(de)多(duo)級(ji)(ji)(ji)調(diao)度(du)技(ji)術(shu)，提高(gao)(gao)了(le)(le)(le)(le)海量(liang)分(fen)(fen)塊計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)的(de)(de)(de)并行可(ke)擴展(zhan)(zhan)性(xing)(xing)(xing)；針對(dui)小規(gui)模(mo)(mo)運算(suan)(suan)(suan)的(de)(de)(de)異構(gou)(gou)加(jia)速難(nan)題(ti)，設計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)了(le)(le)(le)(le)彈性(xing)(xing)(xing)任務卸(xie)載技(ji)術(shu)，通(tong)過(guo)小規(gui)模(mo)(mo)運算(suan)(suan)(suan)的(de)(de)(de)靈活聚合(he)，大(da)(da)幅提高(gao)(gao)異構(gou)(gou)加(jia)速器的(de)(de)(de)硬件(jian)利(li)用率。此(ci)外，QF-RAMAN程(cheng)(cheng)(cheng)序采用OpenCL通(tong)用異構(gou)(gou)并行計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)框架，能(neng)(neng)在(zai)不同(tong)硬件(jian)架構(gou)(gou)(CPU、GPU、SW等)的(de)(de)(de)超級(ji)(ji)(ji)計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)機(ji)上，借助OpenCL編譯工具(ju)鏈(oneAPI、rocm、swcl等)實(shi)(shi)現跨平臺運行。在(zai)最(zui)新一代(dai)神威(wei)超級(ji)(ji)(ji)計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)機(ji)上，該程(cheng)(cheng)(cheng)序利(li)用96,000個計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)節點（超過(guo)3,700萬個計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)核心）實(shi)(shi)現了(le)(le)(le)(le)399.9 PFLOP/s的(de)(de)(de)雙精度(du)峰值性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)；在(zai)東(dong)方(fang)超級(ji)(ji)(ji)計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)機(ji)上，使用6,000個節點（24,000個GPU），程(cheng)(cheng)(cheng)序也展(zhan)(zhan)現了(le)(le)(le)(le)85 PFLOP/s的(de)(de)(de)優異性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)。在(zai)新一代(dai)神威(wei)超級(ji)(ji)(ji)計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)機(ji)上取(qu)得(de)(de)了(le)(le)(le)(le)99%的(de)(de)(de)弱可(ke)擴展(zhan)(zhan)性(xing)(xing)(xing)測(ce)試結果，充分(fen)(fen)展(zhan)(zhan)示了(le)(le)(le)(le)該方(fang)法(fa)(fa)的(de)(de)(de)高(gao)(gao)效性(xing)(xing)(xing)和可(ke)擴展(zhan)(zhan)性(xing)(xing)(xing)。在(zai)此(ci)基(ji)礎上，團(tuan)隊(dui)提出了(le)(le)(le)(le)適用于(yu)億級(ji)(ji)(ji)原子(zi)(zi)(zi)體系的(de)(de)(de)矩陣方(fang)程(cheng)(cheng)(cheng)求解(jie)拉(la)曼光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)的(de)(de)(de)新算(suan)(suan)(suan)法(fa)(fa)，避免了(le)(le)(le)(le)直接(jie)對(dui)角化求解(jie)，為高(gao)(gao)精度(du)拉(la)曼光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)提供(gong)了(le)(le)(le)(le)全新方(fang)案，有(you)效解(jie)決了(le)(le)(le)(le)大(da)(da)規(gui)模(mo)(mo)量(liang)子(zi)(zi)(zi)力(li)學(xue)拉(la)曼模(mo)(mo)擬(ni)(ni)中(zhong)的(de)(de)(de)關鍵(jian)技(ji)術(shu)難(nan)題(ti)。

這(zhe)項研究(jiu)(jiu)(jiu)表明，量子(zi)力(li)學模(mo)擬可(ke)(ke)以擴展(zhan)到(dao)前所未有的規模(mo)，這(zhe)也(ye)為(wei)理(li)解復雜生(sheng)物系(xi)統(tong)開辟(pi)了(le)(le)新途徑。以新冠病毒(du)研究(jiu)(jiu)(jiu)為(wei)例，該方法(fa)可(ke)(ke)以精確模(mo)擬刺突(tu)蛋白的結構特征，為(wei)深入理(li)解病毒(du)感染機制(zhi)提供了(le)(le)科學支撐，為(wei)藥物研發(fa)和疫苗設計貢(gong)獻了(le)(le)重(zhong)(zhong)要參考。這(zhe)一方法(fa)還可(ke)(ke)推廣到(dao)其他重(zhong)(zhong)要生(sheng)物分子(zi)的研究(jiu)(jiu)(jiu)中，成為(wei)生(sheng)物醫(yi)學研究(jiu)(jiu)(jiu)領域(yu)(yu)強大的研究(jiu)(jiu)(jiu)工具。此次技術突(tu)破(po)不僅展(zhan)示(shi)了(le)(le)中國(guo)在高性(xing)能(neng)計算和計算化學領域(yu)(yu)的領先地(di)位，也(ye)為(wei)量子(zi)力(li)學模(mo)擬的應用場景探索了(le)(le)全新的可(ke)(ke)能(neng)。這(zhe)一成果為(wei)高性(xing)能(neng)計算與188bet金宝搏在线的深度(du)融合奠定了(le)(le)堅實的技術基礎，將推動(dong)生(sheng)物分子(zi)模(mo)擬研究(jiu)(jiu)(jiu)進入新階段。

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[1] Honghui Shang*, Ying Liu*, Zhikun Wu, Zhenchuan Chen, Jinfeng Liu, Meiyue Shao, Yingzhou Li, Bowen Kan, Huimin Cui, Xiaobing Feng, Yunquan Zhang, Donald G. Truhlar, Hong An, Xiao He*, and Jinlong Yang*. Pushing the limit of quantum mechanical simulation to the raman spectra of a biological system with 100 million atoms. InProceedings of the International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage, and Analysis,SC '24(GB finalist).//dl.acm.org/doi/10.1109/SC41406.2024.00011

[2]//sc24.supercomputing.org/2024/10/presenting-the-finalists-for-the-2024-gordon-bell-prize/

[3] //pichem.ustc.edu.cn/2024/1225/c34505a669757/page.htm