高性能技術(shù)化學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)

“高性能計(jì)算化學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)”近年來(lái)，隨著計(jì)算硬件的飛速發(fā)展，理論化學(xué)派生出許多應(yīng)用型計(jì)算技術(shù)，如分子模擬和分子圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助分子設(shè)計(jì)、化學(xué)信息學(xué)、生物信息學(xué)等?？茖W(xué)家們已運(yùn)用這些技術(shù)成功解釋了許多化學(xué)現(xiàn)象，甚至對(duì)實(shí)驗(yàn)科學(xué)中的某些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)加以糾正；并依據(jù)計(jì)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(huì)經(jīng)濟(jì)效益方面均取得了巨大成功。為促進(jìn)中科院及我國(guó)理論計(jì)算化學(xué)的發(fā)展，依托于中科院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心超級(jí)計(jì)算中心、融合計(jì)算化學(xué)、高性能計(jì)算和網(wǎng)格技術(shù)的“計(jì)算化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室”于2004年成立。通過(guò)集成國(guó)內(nèi)計(jì)算化學(xué)的科研力量，為廣大計(jì)算化學(xué)科研人員提供了科學(xué)計(jì)算研究、軟件開(kāi)發(fā)、學(xué)術(shù)交流、技術(shù)培訓(xùn)的科研工作平臺(tái)；中科院超算中心在現(xiàn)代超級(jí)計(jì)算和網(wǎng)格技術(shù)上的多年工作積累，將為本項(xiàng)目的實(shí)施發(fā)揮重大的作用。

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

目標(biāo)與內(nèi)容
        （1）前后處理模塊的研制、開(kāi)發(fā)、完善
        具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的跨平臺(tái)3D可視化分子建模軟件GridMol的設(shè)計(jì)、研制、開(kāi)發(fā)、功能豐富及升級(jí)完善。將其包裝為現(xiàn)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的計(jì)算化學(xué)專(zhuān)業(yè)軟件包的外部界面，實(shí)現(xiàn)計(jì)算程序包的前后處理功能簡(jiǎn)潔化、圖形化、專(zhuān)業(yè)化及計(jì)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(guó)產(chǎn)高效能計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，達(dá)到良好的可擴(kuò)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(wèn)題。
        （2）商業(yè)軟件接口模塊的開(kāi)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(guò)對(duì)上述商業(yè)計(jì)算軟件的接口界面的分析，實(shí)現(xiàn)GridMol與這些軟件的無(wú)縫連接，使廣大用戶可使用GridMol調(diào)用上述計(jì)算軟件執(zhí)行計(jì)算任務(wù)進(jìn)行科學(xué)研究。 #p#page_title#e#
        （3）計(jì)算軟件的集成、標(biāo)準(zhǔn)化和并行化
        具有較廣泛的國(guó)際影響力的、擁有較高國(guó)際知名度的完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的量子化學(xué)計(jì)算軟件的集成化、標(biāo)準(zhǔn)化和并行化。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的優(yōu)秀化學(xué)計(jì)算軟件（BDF、Xian_CI等）將集成在GridMol的界面下，實(shí)現(xiàn)作業(yè)提交的標(biāo)準(zhǔn)化、智能化，經(jīng)過(guò)基于網(wǎng)格的分布式計(jì)算之后，計(jì)算的結(jié)果自動(dòng)返回并經(jīng)后處理界面預(yù)分析處理，提升計(jì)算結(jié)果的可視化性能。同時(shí)對(duì)現(xiàn)有代碼進(jìn)行優(yōu)化，并加入并行算法。軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，研制與軟件相適應(yīng)的并行算法，使代碼的運(yùn)行可充分利用中國(guó)國(guó)家網(wǎng)格的資源，提高并行效率，從而推廣高性能計(jì)算在計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。
        研制開(kāi)發(fā)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、基于擴(kuò)散蒙特卡羅法（DMC）的程序DMC2ZPE實(shí)現(xiàn)分子基態(tài)性質(zhì)的計(jì)算。并將其集成在SCChem平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)該程序在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的并行化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shí)產(chǎn)權(quán)的計(jì)算化學(xué)軟件在計(jì)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(guó)產(chǎn)新機(jī)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(kāi)展有限元方法大規(guī)模計(jì)算的可擴(kuò)展性并行計(jì)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(wèn)題，實(shí)現(xiàn)有效利用大于1024個(gè)處理器的并行計(jì)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(jiǎn)介
        我們的高性能計(jì)算化學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)目前計(jì)算化學(xué)研究中的需求，提供的服務(wù)將主要包括：分子計(jì)算、分子建模、分子可視化以及計(jì)算結(jié)果分析。
        （1）基于中國(guó)國(guó)家網(wǎng)格的高性能計(jì)算化學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)SCChem運(yùn)行在中國(guó)國(guó)家網(wǎng)格環(huán)境下，可實(shí)現(xiàn)分子建模、提交計(jì)算化學(xué)作業(yè)、查看作業(yè)、進(jìn)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(kuò)展性。
        （2）GridMol軟件可進(jìn)行三維可視化分子建模及后處理，并兼容現(xiàn)有流行計(jì)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(shí)現(xiàn)自主開(kāi)發(fā)計(jì)算化學(xué)軟件如BDF、Xian_CI、DMC2ZPE等執(zhí)行科學(xué)計(jì)算，同時(shí)也提供著名商業(yè)軟件Gaussian03、ADF、Molpro的計(jì)算接口。
        （5）實(shí)現(xiàn)一個(gè)有效利用1024個(gè)處理器的大型計(jì)算應(yīng)用實(shí)例。獲得較高的并行效率，對(duì)固定工作負(fù)載、固定時(shí)間與固定存儲(chǔ)器的情況，實(shí)現(xiàn)較高的加速比。對(duì)等效率、等速度、等利用率的并行計(jì)算模型，獲取良好的系統(tǒng)可擴(kuò)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(xiàng)，發(fā)明專(zhuān)利或者實(shí)用新型專(zhuān)利1項(xiàng)。

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