材料技术与信息技术、能源技术被称为现代文明的三大支柱。“十四五”规划中提出，中国要深入实施制造强国战略，作为产业技术基础的重要内容，基础材料、基础工艺、基础零部件、基础工业软件等都是重中之重。这其中，基础材料研发因“周期长，资本投入大”而著称，但却是必须啃下的硬骨头。

研发设计类工业软件则是基础材料研发的加速器。传统工业软件（CAD/CAE/CAM）以机械设计、性能模拟、制造加工为目的，而第四次工业革命中新能源、碳中和、高温高强金属、半导体等行业的材料研发离不开以原子为基础的材料量化计算，因而微观尺度的材料研发软件亦被业界称为“新一代工业软件”。

国内随着以鲲鹏为代表的高性能计算解决方案的成熟，为材料研发产业应用提供了基础，这是中国企业数字化的重要组成部分，也是中国发展的机遇。

近日，《制造界》采访了国内材料计算模拟工具软件研发创新的领导企业——龙讯旷腾(深圳)科技有限公司CEO吕海峰，深度剖析龙讯旷腾PWmat材料计算软件如何助力中国基础材料研究实现“换道超车”。

1/基于量子力学的工业材料设计软件PWmat，让基础材料研究“换道超车”

龙讯旷腾现有核心产品PWmat是一款通用的平面波密度泛函理论计算软件。

PWmat归属材料计算模拟软件，相对而言是更基础、更底层的软件，在原子、分子层面利用量子力学计算方法，从微观尺度上准确描述一种材料的结构和性能的关系。通过这样的模拟方法，能很好的去理解一些材料的机理性问题，比如结构对应的材料性能，以及如果想去寻找某些特定性能的材料，该从怎样的结构入手、或者加入怎样的元素。

相比传统的研发手段，计算模拟的核心优势之一，便是缩短研发周期、降低研发成本。“通过计算机模拟的方式，能够解决过去在实验条件下无法解决的问题，实际上也是现在主流的材料研发里的非常重要的一个手段”，吕海峰介绍。

传统的工业设计软件是基于拟合的方法进行，其特点是依赖大量实践积累的经验参数，然后通过这些经验参数拟合出计算方法，再反向指导未来设计。像传统的CAD、CFD软件都是此类工作原理，如果基于同路径进行软件研发，对于工业化进程比国外晚几十年的中国来讲，想要在短时间内弥补基础材料的短板相对比较困难。

而第一性原理计算软件基于一个确定性的基本理论——量子力学进行设计，不依赖于经验参数，只要有很好的算法和很好的算力支持，即使没有那么多经验数据积累，完全只基于材料的元素组成、原子/分子结构就可以计算相关性能。“这是两个不同的路径，相当于换道超车的思路”吕海峰表示。

2/制造企业俯身基础创新，为工业软件蕴育出更大市场

当下，随着制造强国战略的深入，意识到底层核心技术是根本，越来越多制造企业开始在基础研究上下功夫，加大对源头材料的研发投入，这便催生出了对材料研究软件进一步市场化的需求。截至目前，龙讯旷腾PWmat基本服务了国内所有主流科研机构，包括100多家高校、研究所。相应的基于PWmat发表的论文也大量的呈现出来，这也为PWmat的市场化奠定了基础。

据吕海峰介绍，PWmat在企业端落地主要是两个方向，一是半导体，二是新能源。半导体行业，PWmat 可以做器件模拟以及量子输运等相应计算。“我们现在已经与中科院微电子所、中科院半导体所展开了合作”，PWmat已经进入了加速半导体研发的征程。

新能源行业也是当下热点领域，其中很多企业开始用第一性原理计算方法做研究。“首先如新能源电池，涉及很多复杂的材料问题（包括阳极材料、阴极材料等）都可以用第一性原理计算方法研究。其次，新能源的原料研究，以氢能源为例，氢能源的研发归根结底也是材料的问题。如光分解水或电分解水产生氢气，分解效率、成本控制都对是否可商业化产生影响，这个优化路径就涉及很多材料，比如是否可添加合适的催化剂加速分解反应，这其中有很大的探索空间，我们也在做深入研究”。

除新兴材料的研究，相对传统的合金材料应用领域也需要更优解。“如对耐高温材料的研发，以耐高温陶瓷材料，或是高温高熵合金材料代替传统的合金材料，这些‘卡脖子’的问题我们都有相应计算方法辅助研究单位做一些结构筛选”。

历经权威验证，无论是功能还是性能，当下，PWmat已经可以与国外同类型软件相媲美。“甚至在某些方面还有一些超越。比如相应特色的功能rt-TDDFT、超快速HSE等，这些功能是国外主流软件不具备的，这也吸引了很多潜在客户来选择我们。其次，在性能上，我们也具有比较大的优势，我们是国际上最早利用GPU加速来做平面波第一性原理计算的团队，从2008年就开始了研究，如今与HPC的异构加速的方法融合，使我们在性能上相对于国外竞争对手有非常大的优势”。

当下，无论是新型基础材料的研发还是传统材料体系优化，都是一个巨大的市场，对PWmat而言更是大有可为。

3/鲲鹏高性能计算解决方案，加速PWmat商业化

底层核心技术是第一生产力，基于鲲鹏高性能计算解决方案的助力，PWmat实现中国工业基础软件换道超车、进而加速基础材料研发进程，便是最有力的证明。

第一性原理计算软件追求的是极致的性能表现，实现的基础便是高性能计算。基于此，PWmat插上了“鲲鹏”的翅膀。鲲鹏高性能计算解决方案是华为推出的、基于鲲鹏全栈打造的涵盖硬件使能、基础软件、应用优化等能力的完整解决方案。通过硬件开放，使能整机伙伴打造高性能、高算力的整机产品；通过软件开源，携手基础软件伙伴孵化创新，构建完整的高性能计算基础软件栈。

以PWmat为例，软件代码就有100多万行，如此大的数据体量要充分发挥软件能力，其适配的硬件平台是否能持续更新迭代、是否有快速算力提升的研发能力是极其重要的。“如果适配的硬件平台性能不具备竞争力，而且新产品开发迭代又不可预期的话，对于软件厂商会是一个很大的问题”吕海峰表示，从长远发展的角度考虑，鉴于鲲鹏HPC完整解决方案的能力，龙讯旷腾最终选择了与鲲鹏合作。

而实际上，与鲲鹏的合作不仅是产品解决方案的提供，更像是两支队伍的融合。吕海峰介绍，鲲鹏强大的研发队伍很深度地参与了PWmat软件性能优化的改进工作。“他们给我们提供了很多的帮助，包括硬件架构上以及刚才讲到的全栈协同优化的能力上，甚至包括一些算法，为了持续的优化性能，我们还在与华为的基础软件团队接触，如基础数学库等，希望能够从更底层上帮助我们去做一些更好的优化”。

4/向下扎根的力量，曾获“中国十大科技进展”

无论是鲲鹏高性能计算解决方案还是PWmat为代表的工业软件，以及其致力于的基础材料研究，都是中国的底层技术。越底层的技术壁垒越高，创业难度越大，对专业的要求也便越高。而计算材料学作为一门材料学与计算科学的交叉学科的领域，则具有更高的门槛，也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）和过硬的计算机应用能力。知识的积累是一个跨学科的复杂过程。

对于计算软件开发者而言，挑战无疑将变得更加复杂而艰巨。将物理信息转化为知识进而形成数学模型，通过建模仿真生成计算软件、再经过测试验证形成可复用的软件功能和平台架构，这一整套流程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。

龙讯旷腾则正是这样一支由国际著名材料计算专家所带领的，兼备材料物理、计算方法、体系架构及软件工程等多学科交叉优势的一流团队。公司首席科学家汪林望博士，美国物理学会会士（2007），戈登贝尔奖首位华人获奖者（2008），INCITE项目奖项获得者（2007-2018），曾任美国劳伦斯伯克利国家实验室（15 Nobel prizes）资深研究员（1999-2021），发表SCI论文400余篇，包括9篇Science和Nature，论文总引用次数33000余次，H-index高达88。

汪林望博士在计算方法和跨尺度材料计算领域拥有超过30年软件研发经验，已发展了十多种算法和程序，如现已广泛使用的PEtot, Escan, LCBB, LS3DF等，是大尺度材料计算的世界级领军人物。“我们的团队在国际上都是顶尖的”，吕海峰如是讲。在2022年由两院院士评比的中国十大科技进展中，龙讯团队成员贾伟乐博士也位列其中之一，跟北斗、嫦娥探测器等重大科技进展并列。

罗马并非一天建成，PWmat的市场化应用是从研到产的典范。“如今，基于鲲鹏高性能计算助力，PWmat基本达到了国际上的最先进水平”。窥一斑而见全豹，以鲲鹏为代表的高性能计算解决方案，正赋予PWmat软件全新的生命力。

向下扎根，终获果实。而这，又何尝不是未来中国制造的新生。

来源：龙讯旷腾