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。