北京科學(xué)智能研究院/北京大學(xué)陳默涵課題組及其合作者在《科學(xué)通報(bào)》發(fā)表評(píng)述文章，介紹了國(guó)產(chǎn)開(kāi)源密度泛函理論軟件ABACUS如何支持開(kāi)源大原子模型（OpenLAM）的建設(shè)與發(fā)展。文章還探討了ABACUS在AI輔助的電子結(jié)構(gòu)算法、贗勢(shì)軌道庫(kù)建設(shè)及跨平臺(tái)兼容性方面的創(chuàng)新，展現(xiàn)了ABACUS在“AI for Science”時(shí)代作為基礎(chǔ)設(shè)施推動(dòng)材料模擬范式變革的重要潛力。

在材料科學(xué)的微觀世界里，原子間的相互作用和排列方式?jīng)Q定了材料的性質(zhì)與功能。理解和預(yù)測(cè)這些性質(zhì)一直以來(lái)是第一性原理模擬的重要議題。近年來(lái)，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)在材料科學(xué)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，為更好地解決這一難題帶來(lái)了新的機(jī)遇。

ABACUS：國(guó)產(chǎn)開(kāi)源密度泛函理論軟件的崛起

ABACUS（Atomic-OrbitalBasedAb-initioComputation atUSTC，https://abacus.ustc.edu.cn/main.htm）是一款由國(guó)內(nèi)多個(gè)團(tuán)隊(duì)共同開(kāi)發(fā)的開(kāi)源密度泛函理論（DFT）軟件，正在持續(xù)助力國(guó)產(chǎn)開(kāi)放大原子模型的發(fā)展。ABACUS同時(shí)支持平面波和數(shù)值原子軌道基組，構(gòu)建了方便用戶使用的贗勢(shì)和數(shù)值原子軌道庫(kù)，已在不同硬件平臺(tái)上成功移植，為OpenLAM項(xiàng)目高效生產(chǎn)了大量密度泛函理論計(jì)算數(shù)據(jù)，應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋了合金、半導(dǎo)體、鈣鈦礦等多種材料體系。

OpenLAM項(xiàng)目：構(gòu)建通用大原子模型

OpenLAM項(xiàng)目旨在構(gòu)建適用于復(fù)雜材料體系的高精度和高效率預(yù)訓(xùn)練大模型，并通過(guò)進(jìn)一步的下游微調(diào)和知識(shí)蒸餾來(lái)獲得高效準(zhǔn)確的原子間勢(shì)函數(shù)模型。這一項(xiàng)目的關(guān)鍵在于需要第一性原理軟件計(jì)算出海量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，而ABACUS正為大規(guī)模的數(shù)據(jù)生產(chǎn)提供了重要基礎(chǔ)設(shè)施。

ABACUS的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用

ABACUS的優(yōu)勢(shì)在于其開(kāi)放性、易用性和高性能。它同時(shí)支持平面波和數(shù)值原子軌道基組，適應(yīng)不同類型材料體系的計(jì)算需求。此外，ABACUS還實(shí)現(xiàn)了與多種原子尺度機(jī)器學(xué)習(xí)算法的深度結(jié)合，顯著改善了傳統(tǒng)密度泛函理論在計(jì)算精度、計(jì)算體系尺寸以及計(jì)算效率方面的瓶頸問(wèn)題。

在應(yīng)用方面，ABACUS已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。例如，它為DPA-1和DPA-2原子間勢(shì)函數(shù)大模型提供了訓(xùn)練數(shù)據(jù)，這些模型可以適用于多種元素體系，并通過(guò)預(yù)訓(xùn)練結(jié)合微調(diào)的方式來(lái)適用實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景。此外，ABACUS還在半導(dǎo)體和合金等材料體系中得到了廣泛應(yīng)用，為材料科學(xué)的研究和應(yīng)用提供了有力支持。

ABACUS與異構(gòu)并行

隨著深度學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，異構(gòu)計(jì)算已成為新的發(fā)展趨勢(shì)。ABACUS也緊跟這一趨勢(shì)，建立了統(tǒng)一的異構(gòu)編程計(jì)算框架，支持在不同硬件平臺(tái)上的高效運(yùn)行。通過(guò)異構(gòu)并行，ABACUS大幅提升了計(jì)算效率，使得大原子模型的第一性原理訓(xùn)練數(shù)據(jù)可以通過(guò)在不同硬件上進(jìn)行高效計(jì)算獲得。

圖1 使用 ABACUS在CPU與DCU平臺(tái)上，對(duì)不同大小的95個(gè)體系的平均自洽場(chǎng)迭代（SCF）計(jì)算耗時(shí)對(duì)比。CPU上的計(jì)算使用Davidson（DAV）和共軛梯度法（CG）對(duì)角化方法。DCU的計(jì)算使用CG對(duì)角化方法。圖（a）展示了分別使用CPU平臺(tái)上CG/DAV方法和DCU平臺(tái)上CG方法計(jì)算的平均每SCF電子步的耗時(shí)；圖（b）展示了CPU上CG和DAV方法與DCU上CG方法的耗時(shí)比值。橫軸表示測(cè)試體系的價(jià)層電子數(shù)量。

未來(lái)展望

在AI for Science快速發(fā)展的今天，ABACUS作為一款開(kāi)源的密度泛函理論軟件，將持續(xù)作為基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)揮重要作用。它不僅為OpenLAM項(xiàng)目提供了重要的數(shù)據(jù)支持，還將繼續(xù)推動(dòng)材料科學(xué)的發(fā)展。未來(lái)，ABACUS將繼續(xù)優(yōu)化和升級(jí)，以適應(yīng)不斷變化的科研需求，為材料科學(xué)的研究和應(yīng)用提供更強(qiáng)大的工具。

文章信息

彭星亮, 周巍青, 鄭大也, 等. 開(kāi)源密度泛函理論軟件ABACUS:助力大原子模型發(fā)展. 科學(xué)通報(bào), 2025, 70(24): 4027–4043

doi: 10.1360/TB-2024-1243

https://www.sciengine.com/CSB/doi/10.1360/TB-2024-1243

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