突破极限！腾讯云高性能计算助力实现超大体系平面波精度第一性原理计算

近日，腾讯量子实验室、腾讯云高性能计算产品团队、北京龙讯旷腾科技有限公司和盐城工学院石林教授团队联合攻关，成功实现了百万硅原子超大规模体系的平面波精度第一性原理计算。该项工作由腾讯量子实验室牵头，基于龙讯旷腾公司的线性标度三维分块算法（LS3DF）以及腾讯云高性能计算集群产品完成。

一直以来，第一性原理计算作为研究材料物化性质的重要手段，对于新材料的发展具有重要意义。第一性原理计算从量子理论的基本原理出发，结合高性能计算系统的强大算力，通过数值迭代方法获取材料的物理或化学性质，为理解材料的性质、预测材料在不同环境中的表现行为、指导新材料的发现与设计提供了更快捷的手段，并有望将新材料的研发周期和研发成本大大降低。

然而，由于第一性原理计算算法复杂度较高(O(N3))，同时受限于计算机浮点数计算能力、内存/显存大小、存储空间以及多机并行时的通信延迟等多种因素，第一性原理计算能模拟的材料体系规模往往有限——即使利用最顶级的 GPU 计算资源且拥有完美的并行计算环境，也会因计算效率太低（可能耗时数天甚至数周）而使实用价值大打折扣。

为了解决计算复杂度高的问题，本次项目团队采用龙讯旷腾首席科学家汪林望博士开发的线性标度三维分块算法（LS3DF），并基于30台腾讯云 GPU 型高性能计算 HCCG5v 实例 （单台 HCCG5v 服务器配备8卡 V100、400G 内存、11TB SSD 和 100Gbps 的 RDMA 网络），解决了 LS3DF 软件的编译优化、I/O 存储优化和大规模 GPU 通信等问题，为 LS3DF 软件搭建了稳定可靠的专有算力底座。

通过各方紧密协作，项目团队最终在16小时内完成了112万硅原子的电荷密度计算，首次在平面波精度前提下实现了百万原子超大体系的第一性原理计算。

1万/10万/50万/100万硅原子体系的电荷分布

通过该计算可以针对超大规模体系中每个原子周围的电荷分布及其电子性质进行细致分析，满足未来各类量子器件研发的需求。

未来腾讯云高性能计算产品团队将与腾讯量子实验室和龙讯旷腾公司继续深入合作，为探索第一性原理计算多样化应用场景提供算力支持，共建高性能计算生态。

关于腾讯云高性能计算集群 HCC

腾讯云高性能计算集群 HCC 旨在为客户构建性能超群、弹性灵活的云上专有计算集群，满足客户对于高效纵向、横向计算资源扩展的需求。具有以下产品特点：

• 物理机级别隔离：集群以黑石物理服务器2.0为核心，并基于自研的黑石技术架构，兼具虚拟机的弹性灵活、分钟级交付、自动化运维，以及物理机的性能无损、功能无损、硬件级隔离的特点；
• 服务集成：黑石物理服务器2.0节点支持与腾讯云全产品无缝互联，支持高性能文件存储 turbo CFS 挂载，为 HPC 场景提供提供数十GB吞吐、数百万 IOPS 的弹性文件存储系统支持；
• RDMA 网络互联：集群节点支持高速低延时的 RDMA（Remote Direct Memory Access）互联，网络带宽高达 100Gbps，时延低至2-3us，为大规模集群提供无与伦比的多机加速比。

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