高通量材料集成計算驅動引擎MatCloud在國際期刊上發表

【引言】
傳統基于實驗“試錯法”的新材料設計，周期長，效率低。高通量材料計算和材料信息學的使用可以幫助加快新材料的研發，縮短研發周期。

通過高通量材料計算可以幫助快速尋找或篩選材料組成的基本構建單元，“搭建“新的化合物，并結合材料信息學相關技術將數據，代碼，和材料計算軟件流程集成，建立起材料組份，結構，和性能的定量關系模型，以一種有理論依據，可預測的方式，用于指導新材料設計。組合化學在新藥的發現方面取得了極大地成功,它是一種并行、系統、反復地組合不同結構或組份的“構建單元(Building block)”,迅速得到大量化合物,從而進行高通量篩選(High-Throughput Screening)的一種策略與方法。材料信息學(Material informatics)是”運用計算的方法來處理和解釋材料科學和工程數據“，它可以與材料計算相結合，通過已知的可靠實驗數據，用理論模擬去嘗試盡可能多的真實或未知材料，建立其組份，結構和各種物性的數據庫，通過數據挖掘探尋材料組份，結構和性能之間的關系模式，用于指導新材料設計。
這需要一個有效的集網絡化，圖形化，集成化，流程化，自動化的高通量材料集成計算和數據管理的科研基礎設施（e-Infrastructure）的支撐。

【成果簡介】

由中科院計算機網絡信息中心材料基因實驗室研發的我國首個高通量材料集成計算和數據管理平臺MatCloud (http://matcloud.cnic.cn )，其相關研究成果近期已在SCI國際期刊 Computational Material Science 上正式發表（Computational Materials Science 146 (2018) 319–333）。

MatCloud直接與超級計算集群和材料計算數據庫相連，通過圖形化的建模和流程設計，通過計算預測材料的電子結構、力學、熱力學、光學、聲子等多種物理化學性質，并能對計算模擬的結果方便直接地進行可視化分析和展示。通過MatCloud，使得基于大規模計算模擬，進行材料成分設計、性質預測、及機理解釋等成為可能，并通過材料數據庫實現對數據的集中管理和挖掘。無需下載任何軟件和插件，只需網頁瀏覽器即可使用。

文章了介紹了MatCloud所解決的材料計算模擬3 個問題，如何通過自動化并且有效地獲取、存儲和管理材料計算數據？對材料性能的模擬涉及到一系列的流程，如何讓用戶靈活地設計流程從而計算不同材料性能？如何讓那些不熟悉DFT密度泛函理論的科研人員也能容易地開展DFT計算模擬從而快速地獲取他們想要的數據，并且能容易地管理數據、數據可視化和開展數據挖掘？

文章還介紹了國外多個高通量計算驅動引擎和材料計算數據庫，如AFLOW, Material Project, MedeA, VNL, OQMD , NIMS CompES-X , AiiDA, NoMad,Citrine , MatBase , NREL MatDB , Material Commons, and NIST-CHiMaD repository 等，并進行了比較。以 3 個案例介紹了MatCloud 如何進行復雜計算流程設計，基于能量的高通量篩選，以及材料計算數據庫的構建。

A case study of high-throughput screening. Formation energies for 331 Fe1-xAlx structures from first principle calculations and high-throughput screening by MatCloud. Black solid circles denote energies from direct first principles, and all the red symbols denote energies predicted by MatCloud. Red open circles denote predicted energies of recommended structures, and the red solid stars emphasis the predicted energies of structures which have been confirmed as the ground state energy by first principles. Although for concentration>0.5 the “validated first-principles results” are significantly differ from the convex hull constructed using predicted energies, the ground state energies for these concentrations are indeed included in the recommended structures.

高通量材料集成計算和數據管理平臺MatCloud已經上線 運行 半年多，已申請專利 3 件，軟件著作權 4 件，文章發表5篇，注冊用戶 已接近500，舉辦用戶培訓4次，已實現 10000次級數據的匯交能力。國際上正與歐盟的NoMad項目 正開展合作，整個高通量計算驅動引擎的框架已越來越穩定。

MatCloud 的研發得到了中科院“百人計劃”，國家自然科學基金，國家重點研發計劃材料基因工程專項“材料基因工程專用數據庫和大數據技術 ”，國家重點研發計劃材料基因工程專項“ 高通量自動流程材料集成計算算法與軟件及其在先進存儲材料中的應用 ” 等項目的資助。

為了回饋大家，2018年4月22日 在中科院計算機網絡信息中心（北京中關村）舉辦MatCloud培訓。 歡迎大家參加。 可通過郵件和手機報名。詳情可見 http://matcloud.cnic.cn/help/demo/detailShow?groupId=5&detailId=4 。