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2020年8月26日，首屆中國(guó)科學(xué)院“先導(dǎo)杯”并行計(jì)算應(yīng)用大獎(jiǎng)賽決賽圓滿落幕，來(lái)自北京大學(xué)的深度勢(shì)能團(tuán)隊(duì)在“開(kāi)放應(yīng)用”賽題榮獲特等獎(jiǎng)（共兩名）。深勢(shì)團(tuán)隊(duì)的成員包括來(lái)自北京大學(xué)工學(xué)院的碩士研究生路登輝（隊(duì)長(zhǎng)），北京大學(xué)應(yīng)用物理與技術(shù)研究中心的陳默涵研究員以及北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所的王涵副研究員。

圖1 先導(dǎo)杯“開(kāi)放應(yīng)用”賽題特等獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)現(xiàn)場(chǎng)，左二為路登輝同學(xué)

中科院于2020年3月啟動(dòng)先導(dǎo)杯大賽，旨在突破計(jì)算機(jī)軟件環(huán)境與學(xué)科應(yīng)用方面的瓶頸，充分發(fā)揮比賽對(duì)于科學(xué)發(fā)現(xiàn)以及科技創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)力。深勢(shì)團(tuán)隊(duì)的工作是將基于深度學(xué)習(xí)的開(kāi)源分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件DeePMD-kit移植到新一代國(guó)產(chǎn)超算平臺(tái)，針對(duì)其新硬件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并且使用混合精度模型加速分子動(dòng)力學(xué)模擬過(guò)程。測(cè)試結(jié)果表明，新硬件完全支持該軟件的大規(guī)模并行，且98%的分子動(dòng)力學(xué)過(guò)程由新硬件執(zhí)行。

基于深度學(xué)習(xí)的分子模擬軟件DeePMD-kit利用第一性原理計(jì)算小系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練輸入（圖2a），通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在保留輸入原子坐標(biāo)的平移、旋轉(zhuǎn)以及置換不變性的基礎(chǔ)上擬合原子的受力和能量，能高精度的重復(fù)出第一性原理方法計(jì)算的結(jié)果（見(jiàn)圖2b）。該方法結(jié)合物理建模和機(jī)器學(xué)習(xí)，提出了一套有效的新方法來(lái)解決長(zhǎng)期困擾分子動(dòng)力學(xué)模擬的精度和效率不可兼得的困難。團(tuán)隊(duì)首次開(kāi)發(fā)成功的基于國(guó)產(chǎn)硬件的深度學(xué)習(xí)分子模擬軟件為國(guó)產(chǎn)超算的應(yīng)用提供了新的思路同時(shí)也推動(dòng)了國(guó)內(nèi)相關(guān)高性能計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展。

圖2（a）深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)原子坐標(biāo)擬合對(duì)應(yīng)的勢(shì)能面。（b）描述常溫常壓液態(tài)水結(jié)構(gòu)的徑向分布函數(shù)（紫色：第一性原理分子動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)；青色：DeepMD-kit雙精度數(shù)據(jù)；虛線黃色：DeepMD-kit混合精度數(shù)據(jù)）

團(tuán)隊(duì)成員路登輝本科畢業(yè)于中山大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)系，2019年進(jìn)入北京大學(xué)工學(xué)院工程力學(xué)專業(yè)攻讀碩士學(xué)位，主要從事分子模擬軟件的大規(guī)模并行程序發(fā)展，目前已發(fā)表三篇SCI論文，導(dǎo)師為陳默涵研究員。

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文圖編輯 | COE

攝影征稿 | communication@coe.pku.edu.cn

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