當(dāng)前行業(yè)普遍以AI為核心引擎，追求“大尺度、高效率”的泛化應(yīng)用。鴻之微科技始終錨定物理第一性原理，以底層理論為根基，打造自主可控的高性能材料研發(fā)平臺(tái)。作為材料基因工程與Physics AI材料智能研發(fā)體系的核心底座，國(guó)產(chǎn)自主可控的高性能材料研發(fā)平臺(tái)已成為支撐新能源、半導(dǎo)體、航空航天等關(guān)鍵領(lǐng)域創(chuàng)新的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

依托國(guó)家高性能材料計(jì)算專項(xiàng)支持，由國(guó)內(nèi)頂尖高校、科研院所與企業(yè)聯(lián)合研發(fā)的MATS（Machine learning Accelerate Toolkit for material Simulation）材料計(jì)算軟件正式面向行業(yè)推出。鴻之微科技作為聯(lián)合研發(fā)單位，深度參與技術(shù)研發(fā)、工程化與產(chǎn)業(yè)化落地，推動(dòng)國(guó)家級(jí)科研成果轉(zhuǎn)化為可規(guī)?；瘧?yīng)用。

MATS由湖南大學(xué)、吉林大學(xué)、北京科技大學(xué)、山東省計(jì)算中心（國(guó)家超級(jí)計(jì)算濟(jì)南中心）、西北工業(yè)大學(xué)、國(guó)超（西安）計(jì)算技術(shù)有限公司、西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司、鴻之微科技（上海）股份有限公司等單位聯(lián)合攻關(guān)完成。

MATS

材料計(jì)算軟件

MATS(Machine learning Accelerate Toolkit for material Simulation，簡(jiǎn)稱MATS)是面向新一代國(guó)超算的國(guó)產(chǎn)自主研發(fā)的材料計(jì)算軟件，集成了第一性原理計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)與分子動(dòng)力學(xué)模擬三大核心功能，MATS致力于打造多尺度、高精度、速度快的材料模擬軟件，為材料科學(xué)研究與工業(yè)應(yīng)用提供從原子級(jí)到微觀尺度的跨尺度模擬解決方案。

MATS由三個(gè)相互協(xié)作的核心模塊構(gòu)成：第一性原理計(jì)算負(fù)責(zé)提供高精度電子結(jié)構(gòu)信息，同時(shí)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)勢(shì)模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)集準(zhǔn)備的多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，研發(fā)了勢(shì)函數(shù)自動(dòng)化構(gòu)建方法與軟件；分子動(dòng)力學(xué)模擬模塊則基于訓(xùn)練好的勢(shì)函數(shù)執(zhí)行大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)尺度的材料行為模擬。三個(gè)模塊之間形成了“數(shù)據(jù)生成—模型訓(xùn)練—規(guī)模模擬”的完整閉環(huán)，用戶無(wú)需在多個(gè)獨(dú)立軟件之間切換，大幅提升了研究效率。

一、技術(shù)原理與創(chuàng)新

軟件架構(gòu)圖

1.1 核心功能

第一性原理計(jì)算（MATS-DFT）是MATS的基石模塊，基于密度泛函理論（DFT）提供原子級(jí)材料模擬的高精度計(jì)算能力。該模塊支持自洽場(chǎng)計(jì)算獲取體系基態(tài)性質(zhì)，支持結(jié)構(gòu)優(yōu)化確定材料的穩(wěn)定構(gòu)型，支持能帶計(jì)算和態(tài)密度分析用于電子結(jié)構(gòu)研究。特別地，MATS提供了雜化泛函計(jì)算功能，能夠修正傳統(tǒng)泛函對(duì)半導(dǎo)體帶隙的系統(tǒng)性低估，使計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值更加吻合。此外，該模塊還支持從頭算分子動(dòng)力學(xué)（AIMD）和機(jī)器學(xué)習(xí)分子動(dòng)力學(xué)（MLMD），可以在量子力學(xué)精度下研究材料在溫度、壓力等條件下的動(dòng)態(tài)演化行為。針對(duì)新一代國(guó)產(chǎn)超算平臺(tái)，MATS-DFT開(kāi)展了底層代碼優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了在神威系列超算上的高效并行，兼顧高精度與高性能的雙重優(yōu)勢(shì)。

機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)自動(dòng)化訓(xùn)練與評(píng)價(jià)（MATS-MLP）是MATS的智能化核心，它將耗時(shí)的第一性原理計(jì)算轉(zhuǎn)化為具有高精度高效率的機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)函數(shù)。MATS提供從訓(xùn)練數(shù)據(jù)生成到模型訓(xùn)練與驗(yàn)證的完整自動(dòng)化流程：系統(tǒng)可從Materials Project材料數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)獲取初始晶體結(jié)構(gòu)，還可以自主自動(dòng)化產(chǎn)生訓(xùn)練集，并基于MATS-DFT開(kāi)展數(shù)據(jù)標(biāo)定，通過(guò)晶格形變、體積變化、原子微擾等策略生成多樣化的結(jié)構(gòu)樣本，自動(dòng)完成第一性原理計(jì)算的輸入文件設(shè)置、作業(yè)腳本生成與結(jié)果提取，最終訓(xùn)練出能夠精確描述原子間相互作用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢(shì)函數(shù)。這一自動(dòng)化流程大幅降低了機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)函數(shù)的開(kāi)發(fā)門(mén)檻，使研究者能夠?qū)Ｗ⒂诳茖W(xué)問(wèn)題本身而非繁瑣的數(shù)據(jù)處理工作。勢(shì)函數(shù)構(gòu)建完成后，系統(tǒng)還提供勢(shì)函數(shù)性能評(píng)價(jià)的自動(dòng)化檢驗(yàn)功能，確保模型精度可靠。

分子動(dòng)力學(xué)模擬（MATS-MD）賦予MATS探索介觀與微觀尺度材料行為的能力。得益于高效的高性能計(jì)算架構(gòu)和先進(jìn)的勢(shì)函數(shù)模型，MATS支持億級(jí)原子規(guī)模的大體系模擬，可用于研究材料的擴(kuò)散、相變、缺陷演化等長(zhǎng)程時(shí)空動(dòng)力學(xué)過(guò)程。針對(duì)核材料領(lǐng)域的特殊需求，MATS實(shí)現(xiàn)了級(jí)聯(lián)碰撞模擬功能，能夠模擬中子輻照導(dǎo)致的原子級(jí)損傷過(guò)程——從初始碰撞原子（PKA）的產(chǎn)生，到級(jí)聯(lián)碰撞的演化，再到最終缺陷簇的形成。軟件內(nèi)置的變時(shí)間步長(zhǎng)算法確保了在碰撞初期精細(xì)模擬的同時(shí)，體系穩(wěn)定后能夠高效地完成長(zhǎng)時(shí)間尺度的計(jì)算。

1.2技術(shù)架構(gòu)與核心優(yōu)勢(shì)

與市場(chǎng)上需要頻繁切換獨(dú)立軟件的傳統(tǒng)“碎片化”研究模式不同，MATS的核心差異化優(yōu)勢(shì)在于其真正實(shí)現(xiàn)了從第一性原理到分子動(dòng)力學(xué)的全流程一體化與智能化。這一獨(dú)特價(jià)值的背后，源于MATS在三大核心計(jì)算模塊中深厚的原創(chuàng)技術(shù)積累與底層優(yōu)化。在第一性原理計(jì)算方面，作為整個(gè)工作流的數(shù)據(jù)基石，MATS創(chuàng)新性地引入了波函數(shù)投影技術(shù)，有效突破了傳統(tǒng)計(jì)算在應(yīng)對(duì)大規(guī)模體系時(shí)的算力瓶頸，在顯著提升計(jì)算效率的同時(shí)保障了量子力學(xué)級(jí)別的計(jì)算精度。結(jié)合軟件提供的標(biāo)準(zhǔn)泛函與高精度雜化泛函，從源頭上確保了底層物理數(shù)據(jù)和研究結(jié)果的絕對(duì)可靠性。

此外，在機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)函數(shù)的自動(dòng)化構(gòu)建上，MATS針對(duì)模型訓(xùn)練的技術(shù)痛點(diǎn)，采用了原創(chuàng)的注意力耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ACNN）核心算法。該算法將深度學(xué)習(xí)中的注意力機(jī)制應(yīng)用于原子間勢(shì)能描述，能夠自適應(yīng)捕捉不同原子環(huán)境的貢獻(xiàn)；同時(shí)，系統(tǒng)打通了包含能量、力、應(yīng)力等多維度自動(dòng)驗(yàn)證的訓(xùn)練閉環(huán)，徹底免去了繁瑣的參數(shù)調(diào)試過(guò)程，大幅降低了勢(shì)函數(shù)開(kāi)發(fā)的復(fù)雜度。在分子動(dòng)力學(xué)模擬層面，為了應(yīng)對(duì)億級(jí)原子規(guī)模與長(zhǎng)時(shí)尺度的復(fù)雜模擬需求，MATS開(kāi)發(fā)了高效的變時(shí)間步長(zhǎng)算法。更重要的是，該模塊在底層架構(gòu)上深度貼合新一代國(guó)產(chǎn)超算（如神威系列）的異構(gòu)特性進(jìn)行了代碼級(jí)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了極高的并行計(jì)算效率，為超大規(guī)模材料演化模擬提供了堅(jiān)實(shí)的算力和硬件保障。

二、技術(shù)架構(gòu)

MATS采用模塊化的軟件架構(gòu)，各功能組件既可以協(xié)同工作形成完整的研究鏈條，也可以根據(jù)實(shí)際需求獨(dú)立使用。核心計(jì)算引擎由C++實(shí)現(xiàn)，充分利用現(xiàn)代處理器的向量化和多核并行能力，確保在大規(guī)模計(jì)算任務(wù)中的高效率。機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)函數(shù)訓(xùn)練框架基于Python開(kāi)發(fā)，提供了簡(jiǎn)潔易用的命令行接口和配置文件系統(tǒng)，降低了機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)函數(shù)開(kāi)發(fā)的技術(shù)門(mén)檻。

在部署靈活性方面，MATS支持從個(gè)人工作站到超級(jí)計(jì)算機(jī)的各類計(jì)算環(huán)境。軟件可在主流Linux發(fā)行版上編譯運(yùn)行，也支持在Windows WSL環(huán)境下部署。對(duì)于大規(guī)模計(jì)算需求，MATS針對(duì)MPI并行通信進(jìn)行了深度優(yōu)化，在千核規(guī)模上仍能保持超過(guò)90%的并行效率。軟件同時(shí)支持NVIDIA CUDA和AMD ROCm生態(tài)，可充分利用GPU加速計(jì)算。特別值得一提的是，MATS針對(duì)國(guó)產(chǎn)神威、曙光系列超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行了專門(mén)優(yōu)化，為國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)提供了自主可控的選擇。

三、核心功能與應(yīng)用領(lǐng)域

MATS的功能覆蓋了材料科學(xué)研究的主要計(jì)算需求。在電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方面，可進(jìn)行自洽場(chǎng)收斂、能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算、態(tài)密度分析、電荷密度可視化等；在結(jié)構(gòu)性質(zhì)方面，可進(jìn)行晶格常數(shù)優(yōu)化、原子受力計(jì)算、應(yīng)力張量分析；在動(dòng)態(tài)過(guò)程方面，可進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬、晶格動(dòng)力學(xué)計(jì)算（聲子譜）、熱力學(xué)性質(zhì)評(píng)估；在特殊應(yīng)用方面，可進(jìn)行級(jí)聯(lián)碰撞模擬、機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)函數(shù)訓(xùn)練、結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)輔助等。

這些功能支撐著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。在高性能航空材料領(lǐng)域，可用于研究NiCrFeAlP高溫合金、ZrO?-Yb?O?熱障涂層以及TiMoAlVCrNb高強(qiáng)鈦合金的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，幫助研究者準(zhǔn)確預(yù)測(cè)材料的性質(zhì)與性能，并闡明其中的構(gòu)效關(guān)系，從而為高溫合金葉片等材料的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供流程框架。在能源材料領(lǐng)域，可針對(duì)電子化合物合成氨熱催化材料、反應(yīng)堆用YH和TiAlVZrC、以及電池電極材料六方MAB進(jìn)行微觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究與構(gòu)效關(guān)系分析；同時(shí)，還能支持電催化反應(yīng)催化材料的設(shè)計(jì)，提供合金催化劑反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的預(yù)測(cè)技術(shù)。在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，能夠?qū)^(guò)渡金屬硫化物（光電器件）和熱電材料Ag?S進(jìn)行性能模擬，揭示其內(nèi)在的構(gòu)效關(guān)系；此外，針對(duì)聚合物給體-小分子受體材料，可有效實(shí)現(xiàn)給體和受體材料組合的熱力學(xué)性質(zhì)預(yù)測(cè)。

四、行業(yè)解決方案與案例

本節(jié)以具體研究案例說(shuō)明MATS在多尺度模擬中的落地能力，與上一節(jié)應(yīng)用場(chǎng)景形成互補(bǔ)：側(cè)重展示從數(shù)據(jù)生成、勢(shì)函數(shù)訓(xùn)練到大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)與微觀機(jī)理分析的完整鏈條。

案例一：NiCrFeAlP高溫合金晶界偏析模擬。針對(duì)該高熵體系，團(tuán)隊(duì)基于多樣化結(jié)構(gòu)樣本（完美晶體、應(yīng)變與微擾構(gòu)型、不同溫度下的AIMD快照等）訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)，并結(jié)合SOAP描述符與t-SNE可視化檢視訓(xùn)練集覆蓋與能量分布。在此基礎(chǔ)上開(kāi)展高溫（如1000 K）多晶體系的偏析動(dòng)力學(xué)模擬，定量刻畫(huà)磷在晶界處的富集行為，計(jì)算多晶晶界位點(diǎn)的偏析能分布，并對(duì)比偏析結(jié)構(gòu)與隨機(jī)結(jié)構(gòu)下的局域原子排列及位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)差異，為理解微量元素對(duì)力學(xué)穩(wěn)定性的影響提供原子級(jí)依據(jù)。

圖：高溫合金晶界偏析模擬

案例二：Ag2S熱電材料的機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。面向α-Ag2S，構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)并用于大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)，系統(tǒng)考察滑移能、應(yīng)力—應(yīng)變響應(yīng)及剪切變形過(guò)程中微扭折、剪切帶胚胎與剪切帶演化等非均勻塑性特征；結(jié)合不同溫度下的結(jié)構(gòu)演化與徑向分布函數(shù)，驗(yàn)證勢(shì)函數(shù)對(duì)熔化—冷卻過(guò)程結(jié)構(gòu)變化的再現(xiàn)能力。研究表明，大應(yīng)變下剪切/扭折帶區(qū)域發(fā)生不同程度的非晶化，S骨架承擔(dān)載荷并與非晶化區(qū)域協(xié)同支撐大變形；晶格取向分析進(jìn)一步揭示塑性變形與內(nèi)嵌BCC-S子晶格滑移系激活相關(guān)，從微觀機(jī)理上闡釋了該超離子導(dǎo)體類金屬塑性的來(lái)源。

圖：Ag2S熱電材料機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)函數(shù)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

五、授權(quán)與服務(wù)

在2028年12月31日之前，MATS學(xué)術(shù)版免費(fèi)試用。

鴻之微科技× MATS：Physics AI賦能材料基因工程

MATS的發(fā)布，進(jìn)一步完善了鴻之微科技從電子結(jié)構(gòu)→多尺度仿真→高通量篩選→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的全鏈條材料研發(fā)能力，讓國(guó)家級(jí)科研成果真正轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的生產(chǎn)力，為新能源、半導(dǎo)體、航空航天等國(guó)家戰(zhàn)略領(lǐng)域提供自主可控、高精度、高效率的底層計(jì)算支撐，加速材料研發(fā)范式變革。

未來(lái)，鴻之微科技將持續(xù)推動(dòng)MATS的產(chǎn)品化、商業(yè)化與生態(tài)化，以Physics AI重構(gòu)材料研發(fā)范式，服務(wù)全球科研與產(chǎn)業(yè)。