软件发布 | HONPAS全球正式发布会于安徽国家应用数学中心召开
发布时间 : 2021-12-14阅读量 : 527 次
10月9日-10日，“智能制造和智能化管理”交流会议暨安徽应用数学中心第四季度研讨会在蜀山区召开。中科院院士、安徽应用数学中心主任鄂维南，省科技厅厅长罗平，省科技厅创新基地建设处处长周晓辉，省经信厅总经济师潘峰，省发改委合肥综合性国家科学中心工作处处长朱的娥，合肥市政府副市长赵明，蜀山区委副书记、区长杨森，副区长张政，中国科大对外联络与基金事务处处长周宇，科大资产经营有限公司董事长王兵，安徽应用数学中心执行主任杨周旺等出席会议。
合肥瀚海量子科技有限公司作为安徽应用数学中心重要的孵化企业，借此良好机会发布了公司运营的核心软件产品——HONPAS。合肥瀚海量子科技有限公司技术总顾问、中国科学技术大学秦新明老师代表公司于会上精彩阐述了HONPAS的核心技术、软件优势、应用场景、未来规划等等，与会领导与友商们反应热烈，发布会反响良好。
会上，秦老师首先从当前的国际情势出发，阐述了开发国产自主第一性原理的重要性，研发HONPAS的意义。然后着重介绍了HONPAS的框架功能、核心技术、软件优势等等。HONPAS作为一款优秀的开源软件包，可支持上千原子杂化泛函计算，上万原子密度泛函理论计算。通过验证，杂化泛函计算比其它商业平面波软件快1-2个两个量级。读者可访问HONPAS的官方网站http://honpas.ustc.edu.cn下载代码和手册进行体验。
第一性原理计算从量子力学基本原理出发实现材料模拟，无需真实实验即可预测材料性质 ，目前已经广泛应用于多个领域，是新材料研发的利器。然而，由于计算复杂度高，传统的计算难以扩展到复杂大体系，因此很难满足产业研发的需求。目前主流的软件种类繁多，主要包括高标度的平面波软件和可实现低标度计算的原子基组软件。但目前流行的几乎都是是国外软件，其中商业软件VASP市场占有率高达90%。国产软件不仅数量少，而且功能有限。由于紧张的国际形势，计算软件领域在国内已经形成“卡脖子”态势。
为解决目前国产计算软件所面临的困境，中国科学技术大学理论计算组近十年来一直致力于开发高效、实用、功能丰富的线性标度第一性原理计算软件，以期获得具有自主知识产权的软件包，从而可快速方便地用于模拟新材料、新器件关注的复杂大体系。目前课题组已经开发多款第一性原理软件包，其中HONPAS即为代表性软件之一。
HONPAS，即合肥从头模拟线性标度软件包(Hefei Order-N Packages for Ab initio Simulations)，为开源软件，目前的版本以SIESTA3.2为底层，实现线性标度计算功能的扩展。它除了具备SIESTA的所有功能外，还具备自己的特有功能。
HONPAS系统构思是基于量子力学的局域性，通过实空间严格局域的数值原子轨道基组和稀疏矩阵操作来实现线性标度计算，并且避免所有的高标度计算。
HONPAS核心技术包括两大类。其中一类为高性能杂化泛函计算。杂化泛函的计算瓶颈在于四中心双电子积分，该积分形式上具有四次标度，并且在数值基下直接计算很慢。为此，课题组提出了三种方案来解决，首先采用NAO2GTO方案来解决积分慢的问题，也就是用高斯基拟合数值基解析计算双电子积分，并采用多种积分预筛选方法实现线性标度计算，最后应用多层次动态负载均衡并行设计实现大规模并行扩展。融合以上三种方案之后的HONPAS，在国产天河2超算中心实现了大规模并行杂化泛函线性标度计算，可以计算数千原子大体系，并行规模超过5万CPU核，双电子积分并行效率接近100%，而Hartree-Fock交换矩阵构造的效率超过50%。另一类核心技术为高性能密度矩阵纯化算法线性标度计算。采用了纯化算法来取代传统的对角化方法，结合稀疏矩阵并行，可以实现基态电子性质和响应性质的线性标度计算。该算法已经实现上万原子复杂大体系的模拟，并且经过稀疏矩阵乘法并行优化后可以扩展到十万核大规模并行。
将HONPAS与常用平面波软件VASP进行了杂化泛函计算的性能对比，结果显示HONPAS比平面波方法快1-2个量级。
更重要的是，它只需要使用很小的计算资源即可实现上千原子大体系的杂化泛函计算，而平面波方法由于内存原因难以办到。相比其他同类软件，HONPAS具有以下优势：
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开源软件
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SIESTA 基础上的功能模块扩展
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周期体系计算 （Gaussian 支持不好）
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上千原子杂化泛函计算，上万原子密度泛函理论计算
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支持国产超算大规模并行
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杂化泛函计算比商业平面波软件快1-2个两个量级
HONPAS软件的优势决定其存在广泛的应用市场。以下是HONPAS在科研层面的几个应用实例，包括采用HONPAS的快速杂化泛函计算模拟0维量子点和2维量子点半导体的磁性性质，三维体相TiO2的极化子效应等。值得注意的是，这些计算VASP 无法实现。
秦老师在发布会最后给出了HONPAS的未来规划：“首先我们打算针对国内超算平台进行移植优化，与团队内其它软件一起打造国产软硬件一体化平台。其次，为了响应国家十三五“材料基因组计划”的号召，我们正在与数据研发公司的合作，致力于建立一个材料物性大数据平台，为用户提供更便捷的数据资源库。此外，我们将持续发展代码，优化底层，并结合最新的量子算法，最终实现精确高效的量子化学计算。同时，为了促进“产学研用”的有力结合，我们除了进行软件的学术推广外，还主要依托合肥瀚海量子科技有限公司进行产品宣传和运营，以期将HONPAS进行产业应用落地，从而真正将理论计算转化为工业生产力。”
合肥瀚海量子科技有限公司成立于2021年5月份，坐落在量子产业名城合肥，是一家致力于为客户提供高性能第一性原理计算软件、GPU异构计算服务器、高性能计算集群和存储等一体化解决方案的厂商。
公司核心技术起源于中国科学技术大学，现为安徽应用数学中心的孵化企业。公司目前已自主研发多款高性能第一性原理计算软件，可赋能量子力学科研科教、先进材料研发、半导体工艺优化、新能源获取、生物制药智能筛选、锂电池材料优化、超级计算机等多个领域。
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