【中國(guó)科學(xué)報(bào)】新研究實(shí)現(xiàn)億原子級(jí)拉曼光譜量子力學(xué)模擬
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授商紅慧、楊金龍團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所高級(jí)工程師劉穎、華東師范大學(xué)教授何曉等團(tuán)隊(duì)合作，實(shí)現(xiàn)了億原子級(jí)拉曼光譜量子力學(xué)模擬。該成果成功入圍2024年“戈登貝爾獎(jiǎng)”。
“戈登貝爾獎(jiǎng)”是國(guó)際高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域最高獎(jiǎng)，由美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)頒發(fā)，旨在表彰世界范圍內(nèi)高性能計(jì)算的杰出成就，尤其是高性能計(jì)算應(yīng)用于科學(xué)、工程和大規(guī)模數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域的創(chuàng)新工作。
拉曼光譜是研究分子結(jié)構(gòu)的重要工具，被廣泛應(yīng)用于藥物開(kāi)發(fā)、疾病診斷等領(lǐng)域，然而拉曼光譜量子模擬計(jì)算量巨大。此前的拉曼光譜量子模擬僅能處理數(shù)千原子的小體系。
在上述研究中，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在算法設(shè)計(jì)和工程技術(shù)方面進(jìn)行了多項(xiàng)創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)了一款QF-RAMAN程序，首次實(shí)現(xiàn)了包含1億多原子的新冠病毒刺突蛋白在水溶液中的拉曼光譜量子模擬，與以往工作相比實(shí)現(xiàn)了4至5個(gè)數(shù)量級(jí)的提升。此外，QF-RAMAN程序設(shè)計(jì)了彈性任務(wù)卸載技術(shù)，通過(guò)小規(guī)模運(yùn)算的靈活聚合，大幅提高異構(gòu)加速器的硬件利用率。同時(shí)，該程序采用OpenCL通用異構(gòu)并行計(jì)算框架，能在不同硬件架構(gòu)的超級(jí)計(jì)算機(jī)上，借助OpenCL編譯工具鏈實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)提出了適用于億級(jí)原子體系的矩陣方程求解拉曼光譜的新算法，有效解決了大規(guī)模量子力學(xué)拉曼模擬中的關(guān)鍵技術(shù)難題。
該研究表明，量子力學(xué)模擬可以擴(kuò)展到前所未有的規(guī)模，為高性能計(jì)算與科學(xué)研究的深度融合奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，推動(dòng)生物分子高階量子力學(xué)物理性質(zhì)模擬研究進(jìn)入新階段，為理解復(fù)雜生物系統(tǒng)開(kāi)辟了新途徑。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1109/SC41406.2024.00011
（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》?2025-01-02?第3版?綜合）