日前，北京市人民政府公布了关于2022年度北京市科学技术奖励的决定。根据《北京市科学技术奖励办法》，经市科学技术奖励评审委员会评审、市科学技术奖励委员会审定，市政府批准，学校计算机与通信工程学院胡长军教授团队的关键成果“材料辐照损伤高性能多尺度计算关键技术及应用”获2022年度北京市科学技术奖技术发明二等奖。
获奖公示
习近平总书记在2020年联合国大会上的讲话，正式确立了我国“碳达峰”和“碳中和”目标。“双碳”目标是我国基于推动构建人类命运共同体的责任担当和实现可持续发展的内在要求而作出的重大战略决策，展示了我国为应对全球气候变化作出的新努力和新贡献。核能作为一种重要的战略能源，同时也是一种清洁能源，是实现国家“双碳”目标的重要途径之一。
核反应堆安全是核能发展的基础，核材料作为保障核反应堆安全的关键环节，其辐照性能一直是国内外研究热点。由于辐照实验难度大、周期长、成本昂贵，多尺度模拟结合少量实验成为研究核材料辐照损伤的主要手段。过去受计算能力和内存资源的制约，材料计算模拟的时空尺度、精度、确定性、可信性等与工程应用的需求还有很大的距离。
胡长军教授团队面向现役反应堆材料辐照性能预测及先进反应堆用材料研发的战略需求，聚焦材料辐照损伤这一关键问题，经过10多年的“产-学-研-用”紧密结合和多学科联合攻关，构建了核材料辐照损伤高性能多尺度计算体系，突破了“平均场限制”、“多元体系协同演化”等技术难题，建立了一套以百/千万核级深度并行优化、多尺度软件耦合模拟为核心的E级超算材料辐照损伤多尺度模拟关键核心技术，大幅提高了微、介观模拟规模与计算精度，发挥了我国超算资源优势并两次打破世界纪录。在此基础上，研制了6款自主可控的高性能多尺度计算软件，并集成国内多尺度计算框架MISA，在国家重大战略工程中应用。成果已申请发明专利27项（授权16项）、发表论文58篇、出版专著1本、登记软件著作权8项，获得2022年度北京市科技发明二等奖。
采用计算机进行精细化的核材料模拟对计算能力要求特别高，普通对个人电脑和小规模的集群难以满足，往往需要借助超级计算机（简称超算）的强大算力。美国能源部下的ECP计划就发起了EXAALT项目，面向聚变堆和裂变堆，利用强大的E级超算（每秒可执行超过10^18次浮点运算）研究核材料的微观演化过程，以实现空前的模拟精度、空间尺度和时间尺度，服务于核材料研发；美国于2010年成立了 “极端环境材料E级联合设计中心”，聚焦于建立超算硬件、软件栈、编程模型和算法之间的相互联系，面向E级计算能力，建成一个用于极端条件与辐照环境下的材料多物理模拟环境。
我国超算研发处于世界前沿水平，近年来发布了多台E级超算，但由于国产超算架构新颖，特别是其95%以上的算力都集中在异构从核上而非CPU核上。再加上国产超算特有的多层次内存、缓存结构和节点间/内的网络互连特性，使得在国产超算上实现百万核心的核材料模拟还面临着诸多挑战，包括如何贴合应用特点设计适合超算异构架构的高效数据存储方法以突破“存储墙”、如何在国产超算异构硬件上实现模拟软件的移植与深度性能优化以突破“异构墙”、如何设计面向百/千万核计算的并行算法与通信算法以突破“通信墙”与“扩展墙”，以及大规模并行场景下的高效软件间耦合与数据传递。再考虑到现有的一些计算方法并非针对大规模并行和国产异构架构而设计的，还需要对其进行适应性改造或研发新模型，从而在根源上解决传统计算方法的适应性问题。
产-学-研-用，协同创新
研究技术路线
瞄准国产超算环境下的“核材料辐照损伤”这一关键问题， 秉持“发挥超算优势、聚焦应用痛点、发展自主软件”的宗旨，在胡长军教授的带领下，由李建江教授及储根深、陈丹丹、白鹤等20余名博、硕研究生组成的核心攻关团队十余年如一日，进行了大量的核材料辐照损伤大规模、高保真、多尺度模拟研究。团队将核材料多尺度计算需求与我国超算的算力优势相结合，深挖核材料在极端服役条件下的演化特点，发展了面向典型国产E级超算架构的材料辐照损伤多尺度计算方法，并构建了一整套材料辐照损伤高性能多尺度计算体系，突破了“平均场限制”、“多元体系协同演化”等技术难题，为多尺度计算提供了可靠的理论方法指导。进一步骤焦大规模复杂体系模拟的异构墙、存储墙、通信墙等问题，建立了一套以百/千万核级深度并行优化、多尺度耦合模拟为核心的E级超算材料辐照损伤多尺度模拟关键核心技术，大幅提高了原子与介观尺度模拟规模与计算精度，两次打破世界记录。最后，团队集成理论方法及关键技术的成果， 研发了跨越微、介观尺度的大规模并行模拟软件，并在应用中不断迭代升级软件，与国际同类软件对比，具有明显优势和特色。最终建成国内首个、国际领先的材料辐照损伤高性能多尺度计算框架MISA，基于该框架首次建立了RPV 钢辐照脆化的高性能多尺度计算体系，使得RPV钢的寿命预测摆脱了多年基于经验的方式。
团队研究历程
团队经过十多年的“产、学、研、用”紧密结合和多学科联合攻关，在理论方法、关键技术和软件实现方面取得了系列创新成果。目前研究成果在服务国家重大工程、核材料辐照损伤机理认知和科学发现等方面获得重要应用，实现了VVER型和国产A508-III型RPV钢的辐照脆化机理认知和预测，应用于秦山、田湾等核电站的RPV钢预测评估，在核电站安全运行和延寿方面发挥了重要作用，弥补了工业软件短板。并且系列软件已全球开源并在中核、中广核、苏黎世联邦理工学院等50多家国内外机构和企业获得推广应用，取得了良好的国内外影响和可观的经济效益。该成果获得2022年度北京市科学技术奖——技术发明二等奖，并亮相国家“十三五”科技创新成就展。
（供图：计通学院）
（责编：付云笛、薛浪）
