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》發(fā)表評述文章，介紹了國產(chǎn)開源密度泛函理論軟件ABACUS如何支持開源大原子模型（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、贗勢軌道庫建設(shè)及跨平臺兼容性方面的創(chuàng)新，展現(xiàn)了ABACUS在“AI for Science”時代作為基礎(chǔ)設(shè)施推動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)測這些性質(zhì)一直以來是第一性原理模擬的重要議題。近年來，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，機器學(xué)習(xí)在材料科學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛，為更好地解決這一難題帶來了新的機遇。

ABACUS：國產(chǎn)開源密度泛函理論軟件的崛起

ABACUS（Atomic-OrbitalBasedAb-initioComputation atUSTC，https://abacus.ustc.edu.cn/main.htm）是一款由國內(nèi)多個團隊共同開發(fā)的開源密度泛函理論（DFT）軟件，正在持續(xù)助力國產(chǎn)開放大原子模型的發(fā)展。ABACUS同時支持平面波和數(shù)值原子軌道基組，構(gòu)建了方便用戶使用的贗勢和數(shù)值原子軌道庫，已在不同硬件平臺上成功移植，為OpenLAM項目高效生產(chǎn)了大量密度泛函理論計算數(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項目：構(gòu)建通用大原子模型

OpenLAM項目旨在構(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，并通過進一步的下游微調(diào)和知識蒸餾來獲得高效準(zhǔn)確的原子間勢函數(shù)模型。這一項目的關(guān)鍵在于需要第一性原理軟件計算出海量的訓(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)勢與應(yīng)用

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

在應(yīng)用方面，ABACUS已經(jīng)在多個領(lǐng)域取得了重要進展。例如，它為DPA-1和DPA-2原子間勢函數(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，并通過預(yù)訓(xùn)練結(jié)合微調(diào)的方式來適用實際的應(yīng)用場景。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)計算已成為新的發(fā)展趨勢。ABACUS也緊跟這一趨勢，建立了統(tǒng)一的異構(gòu)編程計算框架，支持在不同硬件平臺上的高效運行。通過異構(gòu)并行，ABACUS大幅提升了計算效率，使得大原子模型的第一性原理訓(xùn)練數(shù)據(jù)可以通過在不同硬件上進行高效計算獲得。

圖1 使用 ABACUS在CPU與DCU平臺上，對不同大小的95個體系的平均自洽場迭代（SCF）計算耗時對比。CPU上的計算使用Davidson（DAV）和共軛梯度法（CG）對角化方法。DCU的計算使用CG對角化方法。圖（a）展示了分別使用CPU平臺上CG/DAV方法和DCU平臺上CG方法計算的平均每SCF電子步的耗時；圖（b）展示了CPU上CG和DAV方法與DCU上CG方法的耗時比值。橫軸表示測試體系的價層電子數(shù)量。

未來展望

在AI for Science快速發(fā)展的今天，ABACUS作為一款開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項目提供了重要的數(shù)據(jù)支持，還將繼續(xù)推動材料科學(xué)的發(fā)展。未來，ABACUS將繼續(xù)優(yōu)化和升級，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)用提供更強大的工具。

文章信息

彭星亮, 周巍青, 鄭大也, 等. 開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, 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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