曙光计算服务PWDFT并行效率实现大幅突破

自然界中的二维材料就像是乐高积木块。科学家们从自然界挑选出可以使用的“积木块”，拼接、堆叠成神奇绚烂的新型材料，让世界更加丰富多彩。

由于所有原子都暴露在表面，相比三维材料更为敏感，很多“二维材料”具有极高的光吸收表面和可调控的“光电性质”，在太阳能电池的设计和实现之中发挥着不可小觑的作用。

计算服务，揭开二维材料异质结“激发态性质”奥秘

“二维材料”蜕变成我们所需的新型材料，并非一蹴而就，其中就有不少“曲折”的故事。

“异质结模型”，通过选取合适的施主和受主两种不同半导体材料，可以有效地分离和收集载流子，被视为解决太阳能电池设计的核心方案之一。很多二维材料，由于具有极高的光吸收表面和可调控的光电性质，广泛地应用于太阳能电池异质结中。

其中，二维材料德瓦尔斯异质结在保留理想的光吸收能隙、高载流子迁移率和强可见光吸收等优异特性的同时，更表现出许多新奇的性质，在光电器件方面有着广泛的应用。

然而二维材料范德瓦尔斯异质结的光电性质，严重依赖于层内和层间的激发态电子-空穴对（激子）的相互作用，这时候，传统的第一性原理基态电子结构计算便难以描述这种激发态性质。

而激发态电子结构研究方法，如含时密度泛函理论 （TDDFT）等，高达六阶的计算复杂度，传统软件只能处理几十个原子以内的中小体系。这些高标度方法由于其数据通讯多，内存需求大，堆栈访存多，难以实现大规模并行计算。

通过曙光提供的计算服务支撑，近日，中国科学技术大学专家课题组将通过第一性原理激发态电子结构计算模拟，借助于自主开发的ISDF+TDDFT加速算法计算，研究二维材料异质结的激发态光电性质，调控其激子的行为，为实验上设计新型高效光电器件应用提供有效地理论支持！

课题组根据电偶层理论和基于自主开发大规模并行计算软件的理论模拟，设计出不需要选择两种不同半导体材料，仅仅由氢化（施主材料）和氟化（受主材料）磷烯纳米层即可构成的新型太阳能异质结模型，对太阳能量的转换效率高达20%。

专家组开发PWDFT，实现大规模并行运算

上文中，二维材料激发态光电性质研究的主要工具是PWDFT。它是一款基于平面波（PW）基组的第一性原理计算开源软件，可实现固体材料和分子体系的电子结构计算和分子动力学模拟。该软件可以用于复杂体系的光学、电学、磁学和热学等物理性质的计算，面向材料，生物和医药领域的大分子的动力学模拟；面向丰富材料基因组数据，结合人工智能算法和高通量计算实现功能材料快速发现等等领域。

目前，PWDFT不仅可以实现常规计算，也可以进行高精度杂化泛函求解。由于使用了先进算法，再加上优秀的并行设计，PWDFT并行效率实现大幅突破。仅需要短短几分钟，PWDFT便可以完成数千原子的TDDFT激发态电子结构计算模拟，实力领先本领域内的其他平面波软件。

此次借助曙光计算服务，为中国科学技术大学专家课题组提供可以承载高效激发态电子结构计算和分子动力学模拟的高端算力平台。同时，按需按量为其提供计算、应用、数据、调优、咨询、运营、运维等的一站式服务。未来，曙光将继续为量子化学、计算材料学等对计算有着庞大需求的领域，提供像“自来水”一样即开即用的海量算力，推动计算产业和各科学领域蓬勃发展。

原文标题：计算服务带你走进二维材料的世界！

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审核编辑：彭菁