隨著計(jì)算模擬在新材料研發(fā)方法和模式中扮演越來(lái)越重要的角色，材料研發(fā)領(lǐng)域也正尋求更高效、更便捷的材料計(jì)算模擬平臺(tái)來(lái)加速計(jì)算模擬任務(wù)，提升新材料問(wèn)世和落地的效率。來(lái)自騰訊量子實(shí)驗(yàn)室的材料計(jì)算模擬平臺(tái) TEFS（Tencent Elastic First-principles Simulation），借助騰訊云提供的強(qiáng)勁、易用和彈性可擴(kuò)展的算力，以及對(duì)主流優(yōu)秀材料計(jì)算模擬軟件的編譯集成，為高校和企業(yè)的材料研究人員提供了科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)可視化、工作流與機(jī)器學(xué)習(xí)以及項(xiàng)目管理等能力，使基于計(jì)算模擬方式的材料研發(fā)更具效率。

這一過(guò)程中，來(lái)自英特爾的先進(jìn)產(chǎn)品與技術(shù)也從軟硬件兩方面入手，助力騰訊 TEFS 平臺(tái)提升工作效能。在雙方的合作中，第四代英特爾 至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器和英特爾 oneAPI HPC 工具套件的加入，讓平臺(tái)的計(jì)算性能得到了顯著提升，雙方隨后開展的驗(yàn)證測(cè)試也有力地證明了這一點(diǎn)。

“

利用計(jì)算模擬方式來(lái)加速新材料的研發(fā)進(jìn)程，已成為材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)新趨勢(shì)。騰訊 TEFS 平臺(tái)的推出，正是借助騰訊云服務(wù)彈性可擴(kuò)展的特性，幫助高校和企業(yè)的材料研發(fā)人員更高效、便捷地開展材料計(jì)算模擬任務(wù)。來(lái)自英特爾的第四代至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器和英特爾 oneAPI HPC 工具套件，為 TEFS 平臺(tái)計(jì)算性能的提升提供了更加強(qiáng)勁的助力。

張勝譽(yù)

騰訊量子實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人、騰訊杰出科學(xué)家

”

材料計(jì)算模擬發(fā)展普及

亟需更強(qiáng)平臺(tái)予以支撐

作為新能源、半導(dǎo)體、智能制造以及生物醫(yī)藥等前沿科技的基石之一，新材料研究正在過(guò)去的數(shù)十年中獲得極大的關(guān)注和高速發(fā)展，并擁有令人期待的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿Α?shù)據(jù)表明，至2022年，中國(guó)新材料行業(yè)的市場(chǎng)總產(chǎn)值已達(dá)6.8萬(wàn)億，近年來(lái)年均復(fù)合增長(zhǎng)率接近 20%¹。

強(qiáng)勁的市場(chǎng)潛力推動(dòng)新材料的研究方法與驅(qū)動(dòng)模式發(fā)生了巨大的變化，從傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)、理論驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向計(jì)算驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。如圖一所示，一系列優(yōu)秀材料計(jì)算模擬軟件，包括 VASP、Quantum ESPRESSO、LAMMPS 以及 GROMACS 等基于第一性原理和分子動(dòng)力學(xué)等理論，形成以計(jì)算模擬為核心的新型材料研發(fā)模式。這些模式一方面有效解決了以往材料研發(fā)中研發(fā)周期長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)成功率低以及投入成本高昂等問(wèn)題，另一方面也積極推動(dòng)著逆向材料設(shè)計(jì)、逆向物性預(yù)測(cè)、多尺度設(shè)計(jì)等新方法的發(fā)展。

圖一 常見的材料計(jì)算模擬軟件

今天，無(wú)論是高校這樣的科研、教學(xué)機(jī)構(gòu)，還是專注于儲(chǔ)能電池等產(chǎn)品研發(fā)的新能源廠商，都會(huì)把材料計(jì)算模擬軟件的高效運(yùn)行看成是材料研發(fā)的重要助力，而這無(wú)疑需要高性能的算力予以支持。傳統(tǒng)上，研究者通常會(huì)通過(guò)自建的方式來(lái)構(gòu)建科學(xué)計(jì)算模擬平臺(tái)，但這一過(guò)程中，平臺(tái)的使用也會(huì)面臨以下一系列的挑戰(zhàn)，包括：

算力層面：自有計(jì)算模擬平臺(tái)的建設(shè)通常屬于資本支出（Capital Expenditure，CapEX），在建設(shè)完成后，算力資源較為固定。當(dāng)材料研究所需的算力發(fā)生變化時(shí)，往往缺乏足夠的靈活性造成資源不足或資源浪費(fèi)；

軟件層面：不同的材料研究往往需要不同的計(jì)算模擬軟件，使用者需根據(jù)軟件特性分別開展相應(yīng)的編譯優(yōu)化，其過(guò)程不僅需要耗費(fèi)大量的時(shí)間成本且后期運(yùn)維難度也更大；

使用層面：傳統(tǒng)平臺(tái)通常采用默認(rèn)的命令行操作方式，不僅運(yùn)行門檻高，同時(shí)后續(xù)環(huán)節(jié)所需的專業(yè)數(shù)據(jù)提取、分析也較為繁瑣復(fù)雜，并缺乏便捷的數(shù)據(jù)可視化方案。

為助力新材料領(lǐng)域的企業(yè)、高校等有效應(yīng)對(duì)以上挑戰(zhàn)，騰訊旗下的騰訊量子實(shí)驗(yàn)室，以騰訊云為基礎(chǔ)，通過(guò)融合科學(xué)計(jì)算系統(tǒng)、先進(jìn)Web技術(shù)和人工智能（Artificial Intelligence,AI）能力，向研究人員推出具備一站式材料計(jì)算模擬服務(wù)的TEFS平臺(tái)，并引入第四代英特爾 至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器及其內(nèi)置的英特爾 AMX 加速器、英特爾 oneAPI HPC 工具套件，以有效的性能優(yōu)化助力研究人員在基于 TEFS 平臺(tái)進(jìn)行各類材料研究和探索時(shí)獲得強(qiáng)勁助力。

至強(qiáng) 與 oneAPI軟硬協(xié)同

助騰訊TEFS平臺(tái)打造先進(jìn)科學(xué)計(jì)算能力

如圖二所示，騰訊材料計(jì)算模擬平臺(tái) TEFS 從算力硬件、計(jì)算模擬軟件和功能模塊等不同維度出發(fā)，為企業(yè)、高校等的材料研究提供高效能支撐。首先在底層的算力硬件上，騰訊云為平臺(tái)提供了彈性可擴(kuò)展的計(jì)算資源。騰訊云以第四代英特爾 至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器等高性能的處理器作為算力引擎，為平臺(tái)提供了數(shù)十種服務(wù)器供使用者按需調(diào)用，其中單臺(tái)服務(wù)器最多可達(dá) 192 超線程，512 GB 內(nèi)存²。而內(nèi)置的 TEFS HPC 算力調(diào)度系統(tǒng)，也令平臺(tái)能靈活應(yīng)對(duì)各類算力需求（例如材料計(jì)算模擬常用的高通量計(jì)算）有著大幅波動(dòng)的場(chǎng)景。

圖二 騰訊材料計(jì)算模擬平臺(tái)TEFS基本架構(gòu)

在騰訊云之上，通過(guò)與計(jì)算軟件生態(tài)合作伙伴的緊密協(xié)作，TEFS 平臺(tái)預(yù)編輯了 VASP、LAMMPS 等數(shù)十種專業(yè)計(jì)算模擬軟件，并集成了 Jupyter Notebook、VS Code 等計(jì)算環(huán)境，為研究人員打造了“開箱即用”的便捷使用體驗(yàn)。同時(shí)，平臺(tái)還集成了騰訊自研的量子計(jì)算模擬軟件 TensorCircuit 和量子計(jì)算化學(xué)軟件 TenCirChem 。

基于以上軟硬件基礎(chǔ)能力，TEFS 平臺(tái)為材料研究人員提供了科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)可視化、工作流與機(jī)器學(xué)習(xí)以及項(xiàng)目管理等多個(gè)功能模塊。其中：

科學(xué)計(jì)算：通過(guò)全面打通算力、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)以及軟件能力，平臺(tái)能以公有云、混合云等模式向企業(yè)和高校的材料研究人員提供兼具靈活性和可擴(kuò)展性的科學(xué)計(jì)算能力，計(jì)算過(guò)程同步可見、計(jì)算結(jié)束結(jié)果自動(dòng)下載，且支持 Slurm 和 PBS 兩種作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)。而基于 Web 頁(yè)面的操作界面，也便于研究人員快速輕松上手；

數(shù)據(jù)可視化：如圖三所示，平臺(tái)原生支持 VASP、PWmat和 LAMMPS 等計(jì)算結(jié)果的可視化，并引入了基于第一性原理的高通量材料物性分析軟件 VASPKIT Pro等來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)可視化能力。同時(shí)平臺(tái)對(duì)Pymatgen、ASE和Matplotlib 等軟件的繪圖操作有著友好地支持；

圖三 TEFS平臺(tái)數(shù)據(jù)可視化示例

工作流與機(jī)器學(xué)習(xí)：平臺(tái)能根據(jù)研發(fā)實(shí)際需求提供定制化的工作流，便于高通量計(jì)算篩選與材料數(shù)據(jù)庫(kù)搭建。同時(shí)也能按需彈性調(diào)度計(jì)算資源，優(yōu)化算力效率。而對(duì)于所生成的數(shù)據(jù)，平臺(tái)提供了一站式的機(jī)器學(xué)習(xí)模型搭建、調(diào)試和訓(xùn)練等流程； 項(xiàng)目管理：平臺(tái)以項(xiàng)目為單元，提供了豐富的管理功能，包括成員管理、資源監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)管理、數(shù)據(jù)管理以及文檔管理等，能有效提升項(xiàng)目執(zhí)行效率。

而在 TEFS 平臺(tái)為企業(yè)和高校的材料研究提供有效助力的過(guò)程中，引入強(qiáng)勁的算力核心，并開展有針對(duì)性的優(yōu)化也必不可少。而與英特爾的合作，正是 TEFS 平臺(tái)在這一方向上的“殺手锏”。一方面， TEFS 平臺(tái)底層構(gòu)建于騰訊云之上，騰訊云在其中引入多款先進(jìn)英特爾 架構(gòu)的處理器作為核心算力引擎。

以騰訊云 S7 中部署的第四代英特爾 至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器為例，其全新的架構(gòu)帶來(lái)了更強(qiáng)的性能輸出，不僅擁有更多的內(nèi)核，更強(qiáng)的單核性能，性能更優(yōu)越的內(nèi)存子系統(tǒng)，并內(nèi)置了多個(gè)加速引擎來(lái)支持科學(xué)計(jì)算中嚴(yán)苛的工作負(fù)載，例如其內(nèi)置的英特爾 AMX 加速器可提高 CPU 的深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練和推理性能，以及執(zhí)行多線程任務(wù)時(shí)數(shù)據(jù)的高吞吐性能等。

值得一提的是，在材料計(jì)算模擬中通常會(huì)產(chǎn)生大量?jī)?nèi)存數(shù)據(jù)訪存的需求，因此對(duì)內(nèi)存子系統(tǒng)的性能有著更高要求。處理器具備大容量末級(jí)緩存，并支持 DDR5 內(nèi)存，有效應(yīng)對(duì)了這一需求。新一代 DDR5 內(nèi)存不僅頻率更高、工作電壓更低，還具有遠(yuǎn)超 DDR4 內(nèi)存的帶寬速度。與 DDR4 內(nèi)存 25.6GBps（3,200MHz）的帶寬相比，DDR5內(nèi)存帶寬達(dá)到了 38.4GBps（4,800MHz）以上，提升幅度超過(guò)了 50%³，能有效支撐材料計(jì)算模擬過(guò)程對(duì)內(nèi)存性能的巨大依賴，同時(shí)處理器加強(qiáng)的 AI 能力也為新興的通用人工智能計(jì)算提供了更多可能和算力選項(xiàng)。

另一項(xiàng)來(lái)自英特爾的助力是英特爾 oneAPI 工具套件。作為基于新一代標(biāo)準(zhǔn)的英特爾軟件開發(fā)工具，這一工具套件能幫助使用者充分利用英特爾 架構(gòu)硬件特性來(lái)加速不同計(jì)算進(jìn)程，從而跨架構(gòu)構(gòu)建和部署高性能的應(yīng)用程序。而騰訊與英特爾攜手在 TEFS 平臺(tái)中引入的英特爾 oneAPI HPC工具套件，是英特爾 oneAPI Base 工具套件的附加組件（需使用英特爾 oneAPI Base 工具套件才能實(shí)現(xiàn)全部功能），其包含了一系列性能更強(qiáng)大的編譯器、功能更強(qiáng)大的庫(kù)及高級(jí)分析工具，能幫助 TEFS 平臺(tái)借助矢量化、多線程、多節(jié)點(diǎn)并行化以及內(nèi)存優(yōu)化方面的最新技術(shù)，在材料研發(fā)中實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的計(jì)算模擬性能。

騰訊TEFS平臺(tái)性能顯著提升

通過(guò)在眾多企業(yè)、高校的部署實(shí)踐，來(lái)自一線材料研究人員的反饋表明，TEFS平臺(tái)能為材料研發(fā)領(lǐng)域的計(jì)算模擬帶來(lái)顯著優(yōu)勢(shì)：

高易用性：平臺(tái)提供了基于瀏覽器/命令行的交互方式，具有友好的數(shù)據(jù)可視化界面和豐富的項(xiàng)目管理功能；

強(qiáng)擴(kuò)展性：平臺(tái)可基于不同類型騰訊云服務(wù)器開啟任務(wù)，對(duì)多種材料計(jì)算模擬軟件有著良好兼容，并具有存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)擴(kuò)容和計(jì)算節(jié)點(diǎn)彈性伸縮能力；

運(yùn)維簡(jiǎn)單：平臺(tái)支持一鍵升級(jí)與回退功能，擁有快速恢復(fù)與重啟計(jì)算環(huán)境的鏡像，無(wú)需硬件運(yùn)維，按需調(diào)用資源；

高安全性：平臺(tái)具備企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)安全保障，主機(jī)安全基礎(chǔ)防護(hù)和基礎(chǔ)DDoS防護(hù)能力，可做到資源高度隔離以及服務(wù)高可用。

同時(shí)，為驗(yàn)證第四代英特爾 至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器和英特爾 oneAPI HPC 工具套件的引入，為 TEFS 平臺(tái)的計(jì)算模擬性能提升帶來(lái)的有效助力，騰訊與英特爾一起攜手開展了驗(yàn)證測(cè)試，測(cè)試分為三個(gè)配置組進(jìn)行對(duì)比：

基準(zhǔn)組：基于第三代英特爾 至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器的騰訊云S6服務(wù)器，實(shí)例規(guī)格：32 vCPU/64GB 內(nèi)存；使用原生版本VASP，VASP參數(shù)設(shè)置：NPAR=2,KPAR=1, NSIM=4； 測(cè)試組1：基于第三代英特爾 至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器的騰訊云S6服務(wù)器，實(shí)例規(guī)格：32 vCPU/64GB 內(nèi)存；使用英特爾 oneAPI HPC工具套件最新版優(yōu)化的VASP，VASP參數(shù)設(shè)置：NPAR=2,KPAR=1, NSIM=4； 測(cè)試組2：基于第四代英特爾 至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器的騰訊云S7服務(wù)器，實(shí)例規(guī)格：32 vCPU/64GB 內(nèi)存；使用英特爾 oneAPI HPC工具套件最新版優(yōu)化的VASP，VASP參數(shù)設(shè)置：NPAR=2,KPAR=1, NSIM=4。

圖四 英特爾軟硬件產(chǎn)品與技術(shù)帶來(lái)的性能提升（歸一化）⁴

測(cè)試結(jié)果如圖四所示⁵，經(jīng)數(shù)據(jù)歸一化對(duì)比后，在同樣使用騰訊云 S6 服務(wù)器（基于第三代至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器）的情況下，使用英特爾 oneAPI HPC工具套件最新版優(yōu)化后，VASP 計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行性能相比基準(zhǔn)組提升了約 13.39%。而將算力設(shè)備升級(jí)為騰訊云S7服務(wù)器（基于第四代至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器）后，性能相比基準(zhǔn)組提升了約 43.87%，這表明，第四代至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器與英特爾 oneAPI HPC 工具套件能顯著提升 TEFS 平臺(tái)上材料計(jì)算模擬中 VASP 計(jì)算任務(wù)的處理效率。

隨著計(jì)算模擬方式在材料研發(fā)中顯現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)，以 TEFS 平臺(tái)為代表的材料計(jì)算模擬云服務(wù)平臺(tái)，也將在未來(lái)新材料研發(fā)中發(fā)揮出更為重要的作用，而計(jì)算性能的持續(xù)提升，也將為這一趨勢(shì)持續(xù)提供助力。面向未來(lái)，騰訊還將與英特爾展開更多合作，將更多先進(jìn)計(jì)算產(chǎn)品與技術(shù)應(yīng)用到該領(lǐng)域中，助力更多新材料的問(wèn)世與落地。

同時(shí)，雙方在“科學(xué)計(jì)算+云服務(wù)”上的共同努力，也將運(yùn)用于新材料研究之外的更多領(lǐng)域，包括基于電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(Electronic Design Automation，EDA)的工業(yè)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、基因組學(xué)、量子模擬以及生物制藥等，從而讓更多領(lǐng)域從科學(xué)計(jì)算能力中獲益，加速產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

參考資料：

1數(shù)據(jù)援引自公開媒體報(bào)道：https://www.chinairn.com/news/20230831/165403490.shtml2數(shù)據(jù)來(lái)源于騰訊，如欲了解更多詳情，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：https://www.tencent.com/3根據(jù) DDR4 與 DDR5 產(chǎn)品技術(shù)特性計(jì)算得到4、5數(shù)據(jù)來(lái)源于騰訊未公開的內(nèi)部測(cè)試，如欲了解更多詳情，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：https://www.tencent.com/

法律聲明英特爾并不控制或?qū)徲?jì)第三方數(shù)據(jù)。請(qǐng)您審查該內(nèi)容，咨詢其他來(lái)源，并確認(rèn)提及數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。英特爾技術(shù)特性和優(yōu)勢(shì)取決于系統(tǒng)配置，并可能需要支持的硬件、軟件或服務(wù)得以激活。產(chǎn)品性能會(huì)基于系統(tǒng)配置有所變化。沒有任何產(chǎn)品或組件是絕對(duì)安全的。更多信息請(qǐng)從原始設(shè)備制造商或零售商處獲得，或請(qǐng)見 intel.com。沒有任何產(chǎn)品或組件是絕對(duì)安全的。描述的成本降低情景均旨在在特定情況和配置中舉例說(shuō)明特定英特爾產(chǎn)品如何影響未來(lái)成本并提供成本節(jié)約。情況均不同。英特爾不保證任何成本或成本降低。