從“基因”入手尋找新材料，中科院物理所決定這么做

眾所周知，中國是全球 GDP 排名第二的經(jīng)濟(jì)大國。不過，很多人可能不知道的是：占中國 GDP 23% 的，是材料產(chǎn)業(yè)，2018 年新材料產(chǎn)值 3.9 萬億元，中國目前已形成了全球門類最全、品種與產(chǎn)量規(guī)模第一的材料產(chǎn)業(yè)體系。但在新材料方面，創(chuàng)新能力不足、創(chuàng)新質(zhì)量不高、迭代經(jīng)驗(yàn)欠缺的問題仍然十分突出。[1]

為了解決這些問題，中國于 2016 年正式啟動“材料基因組工程”，旨在以人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)為根本途徑，結(jié)合數(shù)據(jù)庫平臺，對材料進(jìn)行高通量計算、制備、檢測，顛覆傳統(tǒng)材料研發(fā)方式，加速材料領(lǐng)域的發(fā)展。[2]

中科院物理所是材料基因工程的重要研究基地，最近，該所與英特爾和戴爾攜手，借助數(shù)據(jù)增強(qiáng)型超算技術(shù)，使用軟硬結(jié)合的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)方案，開發(fā)出面向未來研究需求的新一期材料基因計算和數(shù)據(jù)處理平臺，可以提升新材料研究與成果共享的效率。

此高通量計算，非彼高性能計算

長期以來，傳統(tǒng)的新材料研發(fā)，多采取“試錯式”，導(dǎo)致材料研發(fā)周期長、費(fèi)用高。材料基因工程，是指借助于大數(shù)據(jù)和 AI 技術(shù)，加快尋找材料“基因”——即原子和分子的排列——與性能之間的關(guān)系。其中，高通量計算系統(tǒng)最為關(guān)鍵，這是可以并行處理大量獨(dú)立工作任務(wù)的計算系統(tǒng)，非常適用于需要大量篩選樣品的場景，比如生物、醫(yī)藥的研發(fā)過程，當(dāng)然包括材料基因的模擬計算和篩選，這也是中科院物理所建立新平臺的重中之重。

與傳統(tǒng)的高性能計算系統(tǒng)相比，高通量計算有如下四個突出特點(diǎn)：

材料基因計算的工作流程

有鑒于此，針對新材料基因計算平臺，中科院物理所提出以下三點(diǎn)要求：

技術(shù)先進(jìn)：

新平臺的計算與存儲硬件架構(gòu)要能支撐未來數(shù)年內(nèi)持續(xù)增長的高通量材料基因計算任務(wù)，并保持性能優(yōu)勢；

工作穩(wěn)定：

新平臺要肩負(fù)起海量的高通量材料基因計算任務(wù)，為避免難以預(yù)計的損失，架構(gòu)的可靠和穩(wěn)定是首要任務(wù);

運(yùn)維便捷：

中科院物理所人力資源緊張，沒有余力為平臺配備專職運(yùn)維專家，需要平臺的運(yùn)維上手便捷。

戴爾和英特爾的解決方案可以雀屏中選，正是因?yàn)闈M足了上述要求。

三方協(xié)作，領(lǐng)跑世界

高通量計算的算力主要來自處理器。新平臺采用的英特爾?至強(qiáng)?金牌 6230R 處理器，在核心數(shù)、線程數(shù)和緩存上，都提升了 30%。此外，還有英特爾?至強(qiáng)?鉑金 9242 處理器滿足特定場景的算力需求，這些處理器配置在戴爾易安信 PowerEdge 服務(wù)器中，從算力上滿足了中科院物理所對于新平臺的第一點(diǎn)需要：技術(shù)先進(jìn)。

英特爾?至強(qiáng)?金牌 6320R 處理器（2020 年）與英特爾?至強(qiáng)?金牌 6230 處理器（2019 年）在主要產(chǎn)品規(guī)格上的對比

接下來，英特爾與戴爾一起，將戴爾易安信 PowerVault ME4 系列存儲、戴爾易安信 Isilon 系列可擴(kuò)展 NAS 存儲、戴爾易安信 VxRail 超融合架構(gòu)以及英特爾? OPA 等先進(jìn)軟硬件產(chǎn)品與技術(shù)引入新平臺。

中科院物理所新一期高通量材料計算和數(shù)據(jù)處理平臺主要硬件架構(gòu)

材料基因計算的結(jié)果是大量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。新平臺中用到的一系列戴爾 NAS 存儲產(chǎn)品，以出色的效率和卓越的可擴(kuò)展性著稱。4 臺 H400 Isilon 混合橫向擴(kuò)展 NAS 機(jī)和 8 臺 A2000 Isilon 歸檔橫向擴(kuò)展 NAS 機(jī)構(gòu)成統(tǒng)一的分級存儲資源池，分別承載數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)安全存儲的重任。二者出色的橫向擴(kuò)展特性，幫助平臺彈性地擴(kuò)展存儲容量。內(nèi)置的 OneFS 操作系統(tǒng)提供高達(dá) 80% 的存儲利用率，并具備多種數(shù)據(jù)保護(hù)和安全性措施，確保平臺數(shù)據(jù)安全可靠，這就滿足了中科院物理所對新平臺對于穩(wěn)定、可靠的需求。

戴爾易安信 VxRail 超融合一體機(jī)用于構(gòu)建云資源池，可共享材料基因計算的數(shù)據(jù)結(jié)果、代碼和計算工具。VxRail 超融合架構(gòu)可以集成戴爾 SDDC（Software Defined Data Center，軟件定義數(shù)據(jù)中心）軟件體系，然后部署 VMware Cloud Foundation 云環(huán)境，從而大大簡化了云平臺的規(guī)劃、搭建和部署，后續(xù)運(yùn)維復(fù)雜度也大幅降低，可以做到“一鍵上云”，運(yùn)維更便捷。

此外，英特爾? OPA 以鏈路層的技術(shù)革新，保護(hù)了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的完整，同時網(wǎng)絡(luò)延遲更低。它的擴(kuò)展性能滿足中科院物理所新平臺未來升級的需求。

隨著新平臺全部節(jié)點(diǎn)全部投入使用，只需一年即可完成目前人類已知的所有無機(jī)晶體材料（約 10 萬個）的計算。此后三到五年，中科院物理所將會繼續(xù)擴(kuò)展平臺計算節(jié)點(diǎn)數(shù)量，翻番算力，將 50 萬個未知材料的數(shù)據(jù)納入數(shù)據(jù)庫中。

“中國材料基因工程領(lǐng)域研究進(jìn)展形勢喜人，有望在 2025 年進(jìn)入世界并跑或領(lǐng)跑行列?！盵3]在中科院物理所、戴爾和英特爾的三方協(xié)作下，預(yù)測正在逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

參考文章：

[1] 材料基因工程引領(lǐng)我國材料科技創(chuàng)新

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2019/11/433104.shtm

[2] 將 AI 應(yīng)用到新材料 斬斷卡脖子的那根“繩索”

https://finance.sina.com.cn/chanjing/cyxw/2020-09-11/doc-iivhuipp3823471.shtml

[3] 我國材料基因工程 2025 年或領(lǐng)跑世界

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2018/10/418792.shtm