高性能技術(shù)化學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)

“高性能計算化學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)”近年來，隨著計算硬件的飛速發(fā)展，理論化學(xué)派生出許多應(yīng)用型計算技術(shù)，如分子模擬和分子圖形學(xué)、計算機輔助分子設(shè)計、化學(xué)信息學(xué)、生物信息學(xué)等?？茖W(xué)家們已運用這些技術(shù)成功解釋了許多化學(xué)現(xiàn)象，甚至對實驗科學(xué)中的某些錯誤認識加以糾正；并依據(jù)計算結(jié)果獲得了具有預(yù)期功能的新材料和高效藥物，在理論研究和社會經(jīng)濟效益方面均取得了巨大成功。為促進中科院及我國理論計算化學(xué)的發(fā)展，依托于中科院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心超級計算中心、融合計算化學(xué)、高性能計算和網(wǎng)格技術(shù)的“計算化學(xué)虛擬實驗室”于2004年成立。通過集成國內(nèi)計算化學(xué)的科研力量，為廣大計算化學(xué)科研人員提供了科學(xué)計算研究、軟件開發(fā)、學(xué)術(shù)交流、技術(shù)培訓(xùn)的科研工作平臺；中科院超算中心在現(xiàn)代超級計算和網(wǎng)格技術(shù)上的多年工作積累，將為本項目的實施發(fā)揮重大的作用。

需求
        （1）有效利用新一代高效能計算機以及中國國家網(wǎng)格的資源
        隨著新一代國產(chǎn)高效能計算機的研制以及中國國家網(wǎng)格的成功運行，有效地利用更大的并行性，研制具有良好可擴展性的高性能計算應(yīng)用系統(tǒng)，已成為一項迫切和有重大意義的任務(wù)。本課題通過針對專項研制的百萬億次高效能計算機與總?cè)萘?50TB的存儲系統(tǒng)，研制、開發(fā)以計算化學(xué)為典型應(yīng)用的高性能計算系統(tǒng)SCChem，為高性能計算提供典型應(yīng)用方案，為計算化學(xué)研究提供便捷高效的計算服務(wù)。
        （2）突破計算瓶頸
        隨著計算化學(xué)研究體系的擴大，計算量成幾何級數(shù)增長，大大超前于計算機硬件的發(fā)展。為克服這個瓶頸，開發(fā)基于高性能計算的計算化學(xué)大型應(yīng)用系統(tǒng)SCChem具有突破性意義。
        （3）計算化學(xué)研究自主創(chuàng)新
        我國計算化學(xué)軟件的研制雖然起步較晚，但發(fā)展勢頭非常喜人，目前已有多個有代表性、在國際上居前沿的軟件。SCChem的開發(fā)對于提高我國計算化學(xué)研究水平、提升其國際地位及擴大其國際影響，使我國計算化學(xué)軟件的研制實現(xiàn)跨越式和可持續(xù)性發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義。
        （4）廣闊的應(yīng)用前景
        隨著計算機硬件水平的飛速提高，理論化學(xué)獲得了長足的進步?；瘜W(xué)家們根據(jù)計算結(jié)果成功解釋了很多化學(xué)現(xiàn)象，糾正了實驗化學(xué)中的某些錯誤認識，獲取了具有預(yù)期功能的新材料和高效藥物。計算化學(xué)軟件已廣泛地應(yīng)用于新材料的設(shè)計、新藥物的發(fā)現(xiàn)、化學(xué)反應(yīng)過程模擬等關(guān)乎多個國計民生的領(lǐng)域。從高性能計算化學(xué)軟件的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀來看，其研發(fā)具有起點高、用戶廣、需求大的特點，這將使本項目的成果具有廣闊的應(yīng)用前景。

目標與內(nèi)容
        （1）前后處理模塊的研制、開發(fā)、完善
        具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的跨平臺3D可視化分子建模軟件GridMol的設(shè)計、研制、開發(fā)、功能豐富及升級完善。將其包裝為現(xiàn)有自主知識產(chǎn)權(quán)的計算化學(xué)專業(yè)軟件包的外部界面，實現(xiàn)計算程序包的前后處理功能簡潔化、圖形化、專業(yè)化及計算結(jié)果的可視化，從而提高這些軟件包的易用性。特別是確保其能在新一代國產(chǎn)高效能計算機上運行，達到良好的可擴展性。
        研制高效分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化的并行算法，用于處理小分子和生物大分子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。
        （2）商業(yè)軟件接口模塊的開發(fā)與研制
        研制GridMol軟件與著名量子化學(xué)軟件Gaussian、Molpro、ADF的接口。通過對上述商業(yè)計算軟件的接口界面的分析，實現(xiàn)GridMol與這些軟件的無縫連接，使廣大用戶可使用GridMol調(diào)用上述計算軟件執(zhí)行計算任務(wù)進行科學(xué)研究。 #p#page_title#e#
        （3）計算軟件的集成、標準化和并行化
        具有較廣泛的國際影響力的、擁有較高國際知名度的完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的量子化學(xué)計算軟件的集成化、標準化和并行化。國內(nèi)現(xiàn)有的優(yōu)秀化學(xué)計算軟件（BDF、Xian_CI等）將集成在GridMol的界面下，實現(xiàn)作業(yè)提交的標準化、智能化，經(jīng)過基于網(wǎng)格的分布式計算之后，計算的結(jié)果自動返回并經(jīng)后處理界面預(yù)分析處理，提升計算結(jié)果的可視化性能。同時對現(xiàn)有代碼進行優(yōu)化，并加入并行算法。軟件開發(fā)過程中，研制與軟件相適應(yīng)的并行算法，使代碼的運行可充分利用中國國家網(wǎng)格的資源，提高并行效率，從而推廣高性能計算在計算化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。
        研制開發(fā)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的、基于擴散蒙特卡羅法（DMC）的程序DMC2ZPE實現(xiàn)分子基態(tài)性質(zhì)的計算。并將其集成在SCChem平臺上，實現(xiàn)該程序在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的并行化、通用化、標準化以及易用化，并拓展該方法在生物、納米材料等領(lǐng)域的應(yīng)用。
        在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，實現(xiàn)應(yīng)用層面的互聯(lián)互通、資源共享和協(xié)同工作，顯著提高軟硬件資源以及智力資源的利用率和自主知識產(chǎn)權(quán)的計算化學(xué)軟件在計算化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用水平。
        （4）高性能并行算法研究
        充分利用國產(chǎn)新機器的新特性做好程序優(yōu)化工作，提高并行化程度，尋求合適的并行模型和高效的并行算法，獲得盡可能高的加速比，提高并行效率。
        開展有限元方法大規(guī)模計算的可擴展性并行計算的研究，選取有限元方法在化學(xué)、地震等領(lǐng)域中的典型應(yīng)用問題，實現(xiàn)有效利用大于1024個處理器的并行計算應(yīng)用。

提供的服務(wù)及取得的成果
       

本期建設(shè)的主要內(nèi)容及預(yù)期成果簡介
        我們的高性能計算化學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)目前計算化學(xué)研究中的需求，提供的服務(wù)將主要包括：分子計算、分子建模、分子可視化以及計算結(jié)果分析。
        （1）基于中國國家網(wǎng)格的高性能計算化學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)SCChem運行在中國國家網(wǎng)格環(huán)境下，可實現(xiàn)分子建模、提交計算化學(xué)作業(yè)、查看作業(yè)、進行結(jié)果智能化處理以及可視化等功能，并具備良好的可擴展性。
        （2）GridMol軟件可進行三維可視化分子建模及后處理，并兼容現(xiàn)有流行計算化學(xué)軟件的數(shù)據(jù)格式。
        （3）在用戶初步構(gòu)建好分子模型后，提供分子力學(xué)預(yù)優(yōu)化功能。
        （4）實現(xiàn)自主開發(fā)計算化學(xué)軟件如BDF、Xian_CI、DMC2ZPE等執(zhí)行科學(xué)計算，同時也提供著名商業(yè)軟件Gaussian03、ADF、Molpro的計算接口。
        （5）實現(xiàn)一個有效利用1024個處理器的大型計算應(yīng)用實例。獲得較高的并行效率，對固定工作負載、固定時間與固定存儲器的情況，實現(xiàn)較高的加速比。對等效率、等速度、等利用率的并行計算模型，獲取良好的系統(tǒng)可擴展性。
        （6）發(fā)表核心期刊學(xué)術(shù)論文8篇以上。
        （7）培養(yǎng)博士研究生1名，碩士研究生2名。
        （8）預(yù)期將獲得軟件著作權(quán)3項，發(fā)明專利或者實用新型專利1項。

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