【儀表網 研發快訊】中國科學技術大學精準智能化學重點實驗室商紅慧教授、楊金龍教授團隊與中國科學院計算技術研究所劉穎高級工程師，華東師范大學何曉教授等團隊合作完成的研究成果“Pushing the Limit of Quantum Mechanical Simulation to the Raman Spectra of a Biological System with 100 Million Atoms”成功入圍2024年戈登·貝爾獎，這是2024年入圍該獎的唯一中國團隊成果，也是該團隊繼2021年后再次入圍該獎項。戈登·貝爾獎是國際高性能計算應用領域最高獎，由美國計算機協會(ACM)頒發，用于表彰世界范圍內高性能計算的杰出成就，尤其是高性能計算應用于科學、工程和大規模數據分析領域的創新工作，被稱為“超算領域的諾貝爾獎”。此前，該成果也獲得了2024年中國計算機學會(CCF)“中國超算年度最佳應用獎”。
拉曼光譜是研究生物分子結構的重要工具，被廣泛應用于藥物開發、疾病診斷等領域，然而，拉曼光譜量子模擬計算量巨大。此前的拉曼光譜量子模擬僅能處理數千原子的小體系，研究團隊開發的QF-RAMAN程序突破了這一限制，首次實現了包含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，與以往工作相比取得了4~5個數量級的提升。這一突破的實現得益于團隊在算法設計和工程技術方面的多項創新。在傳統密度泛函理論(DFT)和密度泛函微擾理論(DFPT)計算中，計算量隨體系規模的增大呈現三次方增長，這使得計算通常只能局限于小型體系。針對以上問題，團隊開發了將全電子全勢密度泛函微擾理論與量子分塊算法深度融合的新方法，將復雜生物分子分解為多個子系統，顯著降低了計算復雜度。同時團隊針對海量分塊計算的負載均衡難題，開發了分塊體量敏感的多級調度技術，提高了海量分塊計算的并行可擴展性；針對小規模運算的異構加速難題，設計了彈性任務卸載技術，通過小規模運算的靈活聚合，大幅提高異構加速器的硬件利用率。此外，QF-RAMAN程序采用OpenCL通用異構并行計算框架，能在不同硬件架構(CPU、GPU、SW等)的超級計算機上，借助OpenCL編譯工具鏈(oneAPI、rocm、swcl等)實現跨平臺運行。在最新一代神威超級計算機上，該程序利用96,000個計算節點(超過3,700萬個計算核心)實現了399.9 PFLOP/s的雙精度峰值性能；在東方超級計算機上，使用6,000個節點(24,000個GPU)，程序也展現了85 PFLOP/s的優異性能。在新一代神威超級計算機上取得了99%的弱可擴展性測試結果，充分展示了該方法的高效性和可擴展性。在此基礎上，團隊提出了適用于億級原子體系的矩陣方程求解拉曼光譜的新算法，避免了直接對角化求解，為高精度拉曼光譜計算提供了全新方案，有效解決了大規模量子力學拉曼模擬中的關鍵技術難題。
這項研究表明，量子力學模擬可以擴展到前所未有的規模，這也為理解復雜生物系統開辟了新途徑。以新冠病毒研究為例，該方法可以精確模擬刺突蛋白的結構特征，為深入理解病毒感染機制提供了科學支撐，為藥物研發和疫苗設計貢獻了重要參考。這一方法還可推廣到其他重要生物分子的研究中，成為生物醫學研究領域強大的研究工具。此次技術突破不僅展示了中國在高性能計算和計算化學領域的領先地位，也為量子力學模擬的應用場景探索了全新的可能。這一成果為高性能計算與科學研究的深度融合奠定了堅實的技術基礎，將推動生物分子模擬研究進入新階段。
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