我国学者实现亿原子级拉曼光谱量子力学模拟

来源：中国科学技术大学时间：2024-12-28 05:45:45

中国科学技术大学精准智能化学重点实验室商红慧教授、杨金龙教授团队与中国科学院计算技术研究所刘颖高级工程师，华东师范大学何晓教授等团队合作完成的研究成果“Pushing the Limit of Quantum Mechanical Simulation to the Raman Spectra of a Biological System with 100 Million Atoms”成功入围2024年戈登·贝尔奖，这是2024年入围该奖的唯一中国团队成果，也是该团队继2021年后再次入围该奖项。戈登·贝尔奖是国际高性能计算应用领域最高奖，由美国计算机协会（ACM）颁发，用于表彰世界范围内高性能计算的杰出成就，尤其是高性能计算应用于科学、工程和大规模数据分析领域的创新工作，被称为“超算领域的诺贝尔奖”。此前，该成果也获得了2024年中国计算机学会(CCF)“中国超算年度最佳应用奖”。

入围ACM Gorden Bell奖

获得“中国超算年度最佳应用奖”

拉曼光谱是研究生物分子结构的重要工具，被广泛应用于药物开发、疾病诊断等领域，然而，拉曼光谱量子模拟计算量巨大。此前的拉曼光谱量子模拟仅能处理数千原子的小体系，研究团队开发的QF-RAMAN程序突破了这一限制，首次实现了包含1亿多原子的新冠病毒刺突蛋白在水溶液中的拉曼光谱量子模拟，与以往工作相比取得了4~5个数量级的提升。这一突破的实现得益于团队在算法设计和工程技术方面的多项创新。在传统密度泛函理论（DFT）和密度泛函微扰理论（DFPT）计算中，计算量随体系规模的增大呈现三次方增长，这使得计算通常只能局限于小型体系。针对以上问题，团队开发了将全电子全势密度泛函微扰理论与量子分块算法深度融合的新方法，将复杂生物分子分解为多个子系统，显著降低了计算复杂度。同时团队针对海量分块计算的负载均衡难题，开发了分块体量敏感的多级调度技术，提高了海量分块计算的并行可扩展性；针对小规模运算的异构加速难题，设计了弹性任务卸载技术，通过小规模运算的灵活聚合，大幅提高异构加速器的硬件利用率。此外，QF-RAMAN程序采用OpenCL通用异构并行计算框架，能在不同硬件架构(CPU、GPU、SW等)的超级计算机上，借助OpenCL编译工具链(oneAPI、rocm、swcl等)实现跨平台运行。在最新一代神威超级计算机上，该程序利用96,000个计算节点（超过3,700万个计算核心）实现了399.9 PFLOP/s的双精度峰值性能；在东方超级计算机上，使用6,000个节点（24,000个GPU），程序也展现了85 PFLOP/s的优异性能。在新一代神威超级计算机上取得了99%的弱可扩展性测试结果，充分展示了该方法的高效性和可扩展性。在此基础上，团队提出了适用于亿级原子体系的矩阵方程求解拉曼光谱的新算法，避免了直接对角化求解，为高精度拉曼光谱计算提供了全新方案，有效解决了大规模量子力学拉曼模拟中的关键技术难题。

这项研究表明，量子力学模拟可以扩展到前所未有的规模，这也为理解复杂生物系统开辟了新途径。以新冠病毒研究为例，该方法可以精确模拟刺突蛋白的结构特征，为深入理解病毒感染机制提供了科学支撑，为药物研发和疫苗设计贡献了重要参考。这一方法还可推广到其他重要生物分子的研究中，成为生物医学研究领域强大的研究工具。此次技术突破不仅展示了中国在高性能计算和计算化学领域的领先地位，也为量子力学模拟的应用场景探索了全新的可能。这一成果为高性能计算与科学研究的深度融合奠定了坚实的技术基础，将推动生物分子模拟研究进入新阶段。