1973年，美国学者丹尼尔·贝尔提出了“后工业时代”的概念，在后工业时代，科技创新逐渐成为推动社会和经济持续发展的重要因素，未来科技将更注重材料的设计与研发，产品不只在于宏观设计，更在于材料的微观性质，未来工业材料的研发技术不是基于牛顿力学，而是基于量子力学，现在亟需新的研究范式，形成一套新的方法。
后工业时代与材料计算的关联主要体现在两个方面：材料设计和材料制造。 首先，材料设计方面。后工业时代倡导以量子力学、人工智能、机器学习和数据驱动的方法来开发新材料。量子力学材料计算是其中的重要工具，它利用计算机模拟和预测材料的性质和行为，并为人工智能提供数据。通过建立基于量子力学原理的公式，材料模拟可以计算并预测材料的结构、性能和稳定性等参数，从而指导新材料的设计和优化。这种计算方法可以大大缩短材料研发周期，减少试错成本，并且提供了更多可能性去发现新材料。 其次，材料制造方面。后工业时代强调高效、灵活和可持续的制造方式。传统的材料制造过程通常需要大量的实验和试错，而材料计算可以通过优化设计和预测性能来提高制造效率。
北京龙讯旷腾科技有限公司创始人兼首席科学家汪林望博士，作为我国大规模从头计算领域的领军人物，他在材料计算领域深耕30余年。他参与研发的国产第一性原理材料计算软件PWmat，是世界上首个利用GPU全面加速的平面波密度泛函软件，功能齐全，有近100万行代码，具有大尺度计算能力的优势，对于大的体系速度远超其他同类软件，现已成为龙讯旷腾科技公司的核心产品，目前有超过200多个课题组、上千个用户在使用，涵盖国内几十所主流材料研究机构。龙讯旷腾科技公司现已成为国内材料计算模拟工具软件研发的引领者。
龙讯旷腾引领材料计算软件行业
首先科普一个概念，什么是“第一性原理计算”？所谓第一性原理计算是一种基于量子力学理论的计算方法，可以对材料的能带结构、电荷密度、力学性质、光学性质、电学性质等各种性质进行预测。对此，汪林望博士表示，“原则上，只要是地球上的物质都可以用它去计算，并且不需要任何经验参数，这是一个非常强有力的工具。物质是由原子组成的，而原子遵循量子力学规律。”
当今时代，随着材料研发逐渐从工艺优化走向源头的分子原子结构设计筛选，由第一性原理为主的微观尺度材料计算仿真已经变得越来越重要，从学术界的相关论文发表指数可以看出近20年第一性原理计算的发展趋势。同时，在工业界也可以看到这样的趋势，例如，捕获并分析工艺变化对器件性能的影响具有重要的预测性价值，是国外EDA卡脖子的主要领域，因为当制程工艺到7nm以下后，就进入了一个微观尺度，基于传统连续介质漂移扩散方程的方法就很难准确描述这种微观尺度的器件，单原子效应、量子效应会极大的影响材料以及器件本身的性能，因此基于量子力学的以原子为最小计算单位的计算方法已经越来越多地被应用到实际的半导体产业研发环节中。
计算材料学作为一门材料学与计算科学的交叉学科具有非常高的门槛，是材料学科里面最硬核的方向，其从业人员往往需要具备扎实的物理背景（量子力学和固体物理）和过硬的编程能力，需要将多个学科的知识、方法进行集成应用，往往需要通过数十年的积累才能形成竞争优势。而在这方面，由汪林望博士创立的北京龙讯旷腾科技有限公司研发团队兼备了经验积累和世界级奖项获得等多项认可，技术优势突破了原子个数大于百万原子的量子力学计算瓶颈，具备了从学术界向工业界进军的实力。
2015年，汪林望博士创立了龙讯旷腾公司，自己担任首席科学家。作为公司创始人，他带领公司研发团队致力于材料计算模拟工具软件研发，基于量子力学的原子级别计算应用到新材料设计加工、优化等一系列研发生产环节，致力将第一性原理材料计算推向工业界。目前，公司自主开发的具有完全自主知识产权的国产第一性原理材料计算软件PWmat（平面波赝势方法并基于GPU加速），可以进行电子结构计算和从头算分子动力学模拟，适用于晶体、缺陷体系、半导体体系、金属体系、纳米体系、量子点、团簇和分子体系等。在求解算法、异构加速及大规模并行优化等方面具有国际领先的技术优势，在保证计算精度的同时大幅度提升计算规模和计算效率，可以将基于量子力学的原子级别计算应用到新材料设计、加工、优化等一系列研发生产环节，为微电子、化工、合金、新能源、航空航天、汽车、生物医药等行业发展带来革命性的创新驱动力。
如今，在汪林望博士的带领下，龙讯旷腾结合自身学术科研实力，联合高校和教育网多维度开展市场活动，涵盖阶段性学科培训、软件教学授课实训、携手高校共建实习基地、提供案例入编教材等，全方位定制计划助力各学科人才培养；与国家重点实验室、权威研究所共同构建一体化解决方案平台；联合顶层设计单位、国家品牌集团、行业领军企业共同开展行业峰会，以科技为实力逐步由学术市场服务能力向工业市场服务能力拓展，引领材料计算硬科技的风向，且拥有强大的售后团队随时解决客户的技术问题，博士团队24小时进行指导服务。
龙讯旷腾公司的愿景是发展原子级别的第二代工业软件，利用第一性原理计算优化材料设计，现已成为国内材料计算模拟工具软件研发创新的领导者。
龙讯旷腾打造微观大尺度集成计算平台
前文说到，未来科技更注重材料的设计与研发，产品不只在于宏观设计，更在于材料的微观性质，未来工业材料的研发技术不是基于牛顿力学，而是基于量子力学。因此，龙讯旷腾在国内首先提出Q－CAD（Quantum－Computer Aided Design）概念，发展原子级别的Q－CAD是打开新的研究范式的一条渠道。汪林望博士介绍说，Q－CAD是深层次的集成平台。现有的量子力学已经可以计算局域的性质，但不能计算整体的性质，而Q－CAD集成量子计算、人工智能、高性能计算、蒙特卡洛等方法，采用分而治之的理念，将问题分成许多并行任务、并行计算，用量子力学算每一小块，然后集成大的系统，在大系统上算长程库伦相互作用，不同区域用不同的方法相互反馈，可以在短时间内搭建不同计算流程，最后将它们构建在一起，提高材料计算的效率。”在当今每秒百亿亿次数字计算的时代，如果一个工业问题不能算，那很可能不是因为计算机能力不够，而是因为我们没有针对这个问题最优化的软件。软件的发展大大滞后于硬件的增长”，汪林望博士如是说。
目前，龙讯旷腾Q－CAD所依赖的三个技术：独特的算法PWmat、高性能计算GPU加速、人工智能机器学习力场克服了精度、空间、时间尺度的难题，具备了将第一性原理计算推广到工业界所需的技术条件。
首先，独特的算法，PWmat是一款基于密度泛函理论的材料计算软件，它的计算速度远超同类软件。PWmat可实现快速HSE、TDDFT、NAMD、Solvent model、恒电势、电声耦合、缺陷体系声子谱、非辐射衰减、电荷俘获、二维材料带电缺陷、虚晶近似VCA等计算。在材料研究的不同领域中得到广泛使用，是材料计算主流软件之一。
其次，高性能计算GPU加速，相较于业界同类软件，PWmat是世界上率先使用GPU加速的DFT计算软件，对比CPU版本程序可实现超30倍以上的性能加速。基于这一独特的性能优势，PWmat非常适合于大体系计算，可以在GPU集群上以第一性原理计算精度实现10，000原子规模体系的计算模拟。即使在单节点GPU服务器上也可轻松计算1000原子体系。
最后，人工智能机器学习力场 PWMLFF，机器学习力场借助已有的第一性原理计算结果，拟合得到力场，可在后继不进行第一性原理计算的情况下获得大体系能量和力。对于平衡态附近的体系，机器学习力场有望大幅加速分子动力学计算，提高在有限计算资源内可模拟的体系的大小以及模拟的时长。该方法可以用于解决不同领域工业问题，例如半导体薄膜生长、锂电池中电解液以及界面问题、小分子药物筛选和金属合金中位错晶界等问题。PWMLFF使用了叠加Kalmann Filter优化器的深度神经网络（deep NN）模型和DP－torch模型，显著降低训练时间。PWMLFF是GNU License的开源平台，结构灵活，可扩展性强。此外，借助PWmat软件独特的总能分解算法，机器学习力场可以用单个原子的能量作为训练数据，提高训练精度和可靠性。此外，机器学习力场还能训练基于电荷密度的力场，以描述长程静电相互作用和非键相互作用。
龙讯旷腾行业服务成功案例
当前，龙讯旷腾解决方案已经应用于新能源、半导体、合金材料等多领域，其高通量计算优势在三元正极材料中寻找到相当稳定的相，揭示了充放电过程中的更多可能性从而完成了电压平台计算；同样的，时下大热的磷酸锰铁锂设计优化借助高通量计算可找到最佳配比，该方法还可以选择合适的掺杂元素，提供离子电导率以及探究过渡金属溶出机理；龙讯旷腾独特的固定电势法（FPM）在研究SEI膜形成机理过程中，可看到一些之前很难看到的反应过程，从而在电池研究中发现新的范式。类似的研究还有很多，他们将反应机理和计算工作流集成搭建了BattSim电池研发设计平台，向固定客户开放测试，内嵌百万级分子数据库，挑选元素，如溶剂、添加剂和锂盐，即可开始模拟计算，快速给出分析结果，这在企业端无疑降低了技术人员的学习门槛和经验试错成本，以底层数据链接自主搭建工作流的灵活形式，解绑了专业人员需学习跨领域知识的困局。
除此之外，龙讯旷腾还将PWmat嵌入了农机装备材料研发平台，与农业机械研究所共建产业链材料研发平台，提高了材料研发效率。农机装备关键材料面临着高强化、耐磨性、耐蚀性、自主率的轴齿轮材料一致性等方面的优化，需要有效突破生产应用中的关键共性技术，提升我国农机制造业整体技术水平。龙讯旷腾PWmat能够得出材料性能数据（力学性能、成形性能、成分性能），将性能数据和材料企业提供的材料工艺生产信息交叉对比，加速设计验证新材料。PWmat嵌入研发平台不仅能够总结多种农机材料的共性性能要求和共性技术，提高农机材料（乃至机械材料）研发效率，还能探索材料信息平台整合研发的可能，和产业链其他企业合作形成材料研发全流程解决方案。
与此同时，龙讯旷腾还将PWmat嵌入了钢铁行业研究平台计算高温高压相图，得到与实验结果最为接近的金属铁和金属钛的相图。由于实验测量高温高压环境金属的相图成本较高、难度较大，产研界考虑通过计算材料的热力学性质进行完整和体系化了解，画出初步相图后就关键点进行实验确认。计算求解的原理为：通过求解不同结构的量子力学方程（第一性原理计算），得到材料的吉布斯自由能，确定相图的结构。在计算实践中，龙讯旷腾考虑材料本身能量、零点能、材料体积变化、原子振动熵、电子自旋方向熵、电子轨道排布熵等因素，构建了在压强、温度、磁排布等不同环境下计算相图的集成最优方案。在中国钢研院项目中，龙讯旷腾在不使用任何实验参数的情况下，仅通过利用以上计算流程得到了与实验相图趋势接近的Ti和Fe的计算相图。进一步利用极少的实验相变点数据，使用LDA与PBE交换关联泛函的校准、DFT＋U校准等方法，修正密度泛函理论的第一性原理计算结果与实验的误差，得到在所有文献中与实验数据最为接近的第一性原理计算相图。
结语
龙讯旷腾是一家处于成长期的企业，宗旨是发展国产的原子级别的第二代工业软件，愿景是推进第一性原理计算在工业企业材料研发中的应用落地，利用第一性原理计算来优化材料设计。
希冀未来，龙讯旷腾能够务实为工业界的企业提供更智能、高效和灵活的解决方案，以应对不断变化的市场需求和技术挑战。通过持续创新和技术整合，将第二代工业软件推向工业界，将在材料科学、能源领域、电子器件以及其他许多工业领域中发挥重要作用，加速创新和推动可持续发展。（文／李杰）
