异构计算量子化学软件的研发恰逢其时

量子化学计算软件在化学研究中扮演着日益重要的角色。利用前沿的计算机架构开发高性能量子化学软件,也受到软件开发者的广泛关注。近年来,随着GPU等加速部件展现出越来越强大的计算能力,异构计算也逐渐成为了量子化学软件的研究热点。本文介绍了异构计算技术的软硬件基础;综述了异构计算技术在计算化学,尤其是量子化学领域最新的研究进展和应用,涉及基于图形处理器(GPU)、协处理器(co-processor)的计算加速;并简要介绍了应用异构计算技术的相关量子化学软件。从这些研究的发展中我们可以看出,异构计算已经成为加速量子化学计算的巨大推动力量。对于诸多著名量子化学软件,其辉煌成就已成为了某种意义上的"历史负担",而异构计算为量子化学软件跨越式发展提供的机遇使得该应用领域国产软件的研发恰逢其时。     

量子化学的现状

本文在对量子化学建立60年来的历史发展进行简要评述的同时,按照基础量子化学研究和应用量子化学研究两个方面,重点地介绍了量子化学研究的主要内容和发展现状。并就化学研究的重要目的—分子设计与量子化学的关系,以及量子化学与其它学科,特别是化学的其它分支学科之间的关系,讨论了量子化学在当代科学和高技术发展中的作用和意义。在此基础上,展望了量子化学在最近的将来的发展趋势,提出了我国量子化学研究发展方向的粗浅看法。     

实验发展与理论发展互利共生、相互促进

大型科学仪器设备的创新对科学研究的创新性发展的作用不言而喻。本文以化学动态学研究中新实验方法和新理论方法的紧密结合和广泛运用为例,探讨理论发展如何与实验发展互利共生、相互促进,推动化学动态学,尤其是反应共振态研究的发展;结合由国家自然科学基金委资助的大连极紫外相干光源实验装置的创制,探讨理论发展如何对大型创新仪器设备的研制提供原创性的思想和技术支撑。事实上,实验与理论计算紧密配合互动已成为学科发展新阶段的工作新常态,而突破量子化学计算的基本矛盾,即计算量和精度难于兼顾的问题,开发兼顾高效率和高精度的新一代量子化学软件是促进理论与实验完美结合的必须,也应是未来理论与计算化学自身发展的核心攻坚任务。     

理论化学家视角中的仪器创制——第181期双清论坛学术综述

回顾历史,科学史上很多重要仪器的发明,都源于理论上新概念和新原理的提出。新概念和新原理可以催生具有原创思想的科学仪器的创制,最终促进我国基础科学研究创新能力的整体提升。当前理论与计算化学正处于蓬勃发展阶段,我国近年来在该学科方向发展迅速,已形成了强大的研究团队,积累了良好的研究基础。计算方法的发展是理论化学发展的重要部分,相关计算程序是理论方法得以付诸应用的桥梁,而众多理论研究又是建立在大量具体计算的基础上,所以计算化学软件的发展是理论与计算化学的重要前沿。然而,我国目前主要使用国外商业化软件,自主研发的很少。这不利于提升我国理论与计算化学的国际影响力,迫切需要弥补。为此,2017年6月11—13日,化学科学部、数学物理科学部、信息科学部与政策局联合举办主题为"理论化学家视角中的仪器创制"的第181期双清论坛。专家们通过充分而深入的研讨,形成了一个重要的共识:即缺乏具有自主知识产权的通用计算化学软件平台是制约中国理论化学发展的瓶颈。因而,基于新理论、新方法和新算法,自主系统开发、推进和创新计算化学软件是中国理论与计算化学学科今后能做出世界顶级贡献的必要条件。这和实验科学中基于新原理、新方法和新技术的自主研发大型仪器设备一样,需要长期和稳定的支持。     

数控加工中心误差补偿技术研究

当前制造化领域,产品的个性化需求越来越高,柔性生产成为当前制造行业的主要生产模式,数控机床成为当前生产行业必不可少的生产设备,提高数控机床的精度成为数控技术发展的关键。基于数控加工中心对于数控机床的误差补偿技术进行了一定的研究,在深入分析的基础上建立了数控机床误差模型,并根据该模型设计了误差补偿计算和操作软件。     

理论与计算化学程序软件发展需求与资助模式思考——基于美国自然科学基金委软件基础构架项目

随着计算机计算能力和算法的高速发展,现有的计算软件已不能满足目前日益增长的需求。因此开发一种实用、高效的新型的计算软件结构就成为当务之急。该新型结构将具有支持多层理论方法的能力,同时可以兼顾实验和理论化学的结果,优化搜索引擎。新一代的计算化学软件必须具备高度的并行性、可扩展性、重复使用性和兼容性,并可实现大型社区驱动。本文基于美国自然科学基金委软件基础构架项目,阐述了计算化学软件发展需求和相关的资助模式,包括层列式的资助模式和资助范围。此外,本文还将从开发软件项目的特点等方面展开讨论,包括软件基础构架,软件培训和推广,以及其对软件开发项目可持续性的影响。     

高性能计算之源起——科学计算的应用现状及发展思考

现代科学研究和工程技术中,高性能计算应用将建模、算法、软件研制和计算模拟融为一体,已成为高性能计算机实现在重大科学发现的前沿基础科学研究领域应用的必要纽带。文章从高性能计算机的发展趋势、不同科学计算应用对高性能计算机的需求谈起,回顾和剖析了来自中国科学院多个学科的科学家协同通关,发挥学科深度交叉的优势,在"曙光1000"并行计算机上完成了多个应用软件并在天然DNA的整体电子结构理论计算、激光晶体材料(LBO)电子态理论分析及广义本征值并行计算等方面取得了令人瞩目的高水平成果的案例。多年来,中国科学院始终位列我国科学计算应用发展的前沿。在应用水平、计算规模及成果显示度均取得了长足进步的背景下,文章选取了大气科学、生命科学、高能物理、计算化学和材料科学等典型传统科学计算应用,从科学家的视角对它们的现状、领域发展促进及未来趋势作了介绍,以期能引发读者更深入的思考与关注。最后,提出了进一步发展我国科学计算的若干建议。     

高精度电子装备机电耦合研究进展

高精度电子装备机电耦合设计理论与方法是当前学科交叉领域的研究热点之一,围绕该主题,在国家自然科学基金委员会第94期"双清论坛"研讨成果的基础上,结合国家重大需求和学科发展前沿,分析了电子装备机电耦合领域在国防建设、航空航天、国民经济、社会发展以及学科发展中面临的挑战,阐述了电子装备机电耦合领域的主要研究内容、研究热点及发展趋势,提出了该领域未来3—5年的优先资助建议。     

高精度电子装备机电耦合研究进展北大核心CSCDCSSCI

高精度电子装备机电耦合设计理论与方法是当前学科交叉领域的研究热点之一,围绕该主题,在国家自然科学基金委员会第94期"双清论坛"研讨成果的基础上,结合国家重大需求和学科发展前沿,分析了电子装备机电耦合领域在国防建设、航空航天、国民经济、社会发展以及学科发展中面临的挑战,阐述了电子装备机电耦合领域的主要研究内容、研究热点及发展趋势,提出了该领域未来3—5年的优先资助建议。     

巫瑞波:立足基础研究 倡导快乐科研

正追溯起来,"量子药物化学"的提法早在20世纪80年代国内就出现过,然而很快就消声匿迹了。这是由于量子化学计算往往需要非常昂贵的模拟时间,而受限于当时计算机的计算能力,应用量子化学计算进行大体系、大规模的药物筛选等药物化学问题的研究,几乎被认为是不可能的事情。然而,伴随着这十年来超级计算机的迅猛发展,     

综合类期刊的综合性与学科交叉性研究

【目的/意义】打破学科界限、提倡学科融合是新文科建设的一项重要举措,该创新举措为我国人文社会科 学领域综合类期刊发展带来了难得的机遇。【方法/过程】以我国人文社会科学领域1999-2020年间发表的190万余 篇核心期刊论文为数据源,通过构建期刊综合性和学科交叉性测度指标,对该领域综合类期刊的综合性与学科交 叉性进行计算。【结果/结论】我国人文社会科学领域综合类期刊整体的综合性在不断降低,综合类期刊载文学科分 布积聚态势明显,专业化、特色化趋势不断增强。与此同时,综合类期刊载文的学科交叉性持续增强,越来越多的 刊物开始关注和组织跨学科研究选题,逐渐由“学科综合”向“问题综合”转变。但是由于我国综合类期刊数量繁 多,质量参差不齐,综合类期刊整体情况与个体差异仍存在较为显著的差距。【创新/局限】聚焦综合类期刊自身具 备多学科知识交汇的综合性特征和面向复杂问题研究的跨学科知识交叉融合特征,构建指标算法进行量化研究, 但是在期刊个体特征测度和学科交叉知识点的挖掘上仍有不足。     

机器人研究进展与科学挑战

机器人基础理论与关键技术是当前学科交叉领域的研究热点之一,已被美、欧、日、韩等国家和地区列为战略计划。围绕该主题,在国家自然科学基金委员会第121期和第146期"双清论坛"研讨成果的基础上,结合国家重大需求和学科发展前沿,从结构、感知、控制等方面阐述了当前机器人的研究热点及发展趋势,提出共融机器人将成为新一代机器人研究的主流;提炼出共融机器人基础理论与关键技术中亟需解决的若干挑战问题;指出了目前国内在该领域的研究基础与不足之处,给出了在该领域未来5~8年需重点发展的方向建议。     

诺贝尔化学奖得主群体创新方法探析

对诺贝尔化学奖得主群体在获奖成就上所采用的研究方法进行了系统考察,分析了创新方法类型的演变与化学研究对象和概念之间的关系,挖掘了创新方法的化学学科特征。结果表明,在思维创新方面,化学奖得主从对传统培根式归纳法的强调,发展到对理论和实验之间关系的多元理解,并持有不同程度的实在论。工具和仪器的革新带来了化学领域概念的变化,以及化学结构本体论状态上的改变。创新方法经历了开始将物理学的模型、仪器、测量与计算方法引入化学研究、追求实验方法的简单性;到仪器革命带来的新工具促进结构测定与机理研究;再至综合多学科研究方法以及多种仪器技术,结合有机合成、检测技术从结构与性能上探讨生命现象的分子基础,以及量子化学计算与模拟成为研究新利器等三个阶段。     

我国人工湿地的研究与应用进展及未来发展建议

作为水环境保护体系的重要角色,人工湿地在我国发展迅速,被广泛应用于多种类型污染水体治理。本文系统总结了人工湿地研究的发展现状和存在的主要问题,梳理了近年来国内外在人工湿地方向的研究进展、取得的主要成果及发展趋势。当前的研究热点和挑战聚焦在复杂环境下净化能力提升、水—气污染协同调控、生态服务价值提升,以及运行与管理优化等方面。结合国际学术前沿与热点,以及国家生态文明建设和国际履约能力提升等重大战略需求,提出未来应聚焦人工湿地植物与微生物功能群对环境胁迫的响应机制、关键元素生物地球化学过程、多种生态服务功能提升与价值估算等关键科学与技术问题,强化多学科交叉,利用多种手段开展系统性研究,为我国人工湿地领域发展提供坚实的科学和实践依据。     

计算机辅助翻译：翻译者的新技术

随着中国越来越融入国际经济体系,翻译市场的需求总量迅猛增长.计算机辅助翻译技术在翻译领域的应用大大提高了翻译的效率,翻译软件广泛应用于多语翻译和软件本地化行业中.本文从翻译市场的需求、当前的大中型翻译机构要求掌握了计算机辅助翻译技术的专职和兼职译员加盟、国内大学翻译专业尚无开设CAT技术课程等方面阐述了CAT技术教学进入翻译课程体系设置的必要性.     

集成光子学与芯片集成纳米制造技术研究 ——北京航空航天大学叶茂副研究员

集成光子学是通过研究与利用光电子学和微电子学原理,依托芯片集成纳米制造技术,开发芯片化集成光子/光电子器件的学科.该学科在光刻、通信激光雷达量子计算与传感等领域有广泛的应用,也是当前我国急需发展的"卡脖子"学科.     

软件工程领域的科技新星——记武汉大学软件工程国家重点实验室副教授马于涛

随着互联网的快速发展和应用需求的激增,软件系统的规模和复杂性呈爆炸式增长。当前的软件工程理论和方法还不足以支撑未来软件发展的需求．在设计、评估、监控、演化、维护等多个环节面临着一系列挑战性问题．其中的核心难题是软件如何灵活高效地提供能满足复杂多样的受众需求的优质便捷服务。为此．我们专门采访了武汉大学软件工程国家重点实验室的青年学者马于涛副教授．并对他目前的研究重点——面向按需服务的软件开发和复杂软件系统的分析与优化．进行了深入解析,希望能见微知著,进一步了解软件工程领域的发展状况。     

化学发展中的理论与计算

理论与计算对现代化学的发展起着至关重要的作用。通过电子结构计算我们可以获得体系的各种性质。电子结构理论与计算的发展方向是提高对某些复杂体系的计算精度,同时提高计算效率使处理更大的体系成为可能。对三原子反应,反应动力学计算已经可以精确地考虑量子效应。多原子气相反应和复杂体系的动力学行为是目前的研究难点。统计力学与分子模拟面临的最大挑战是构造普适精确的分子力场与粗粒化模型,以及多尺度模拟方法。近年来,我国的理论与计算化学发展很快,同时也面临很大的机遇与挑战。     

科学研究方向的转变与选择 徐光宪院士访谈录

徐光宪院士是中国稀土化学的奠基人之一。他于1920年11月7日出生于浙江绍兴市。1951年获美国哥伦比亚大学理学博士学位,主修量子化学。回国后从事量子化学、原子簇化学、配位化学、核燃料和稀土萃取化学,以及稀土生物化学与稀土材料化学研究,并在这些领域取得重要发现。他提出了萃取机理分类法,络合物平衡的吸附理论以及原子价的新定义。尤其是在稀土科学方面,他探讨了稀土化合物的化学键与电子结构,发展了镧系理论,合成并表征了大量稀土络合物;建立并发展了稀土串级萃取理论与工艺优化设计,为中国稀土工业获取高纯度的单一稀土元素做出巨大贡献,实现了中国稀土产量的飞跃。     

第三种科学方法——计算机时代的科学计算

科学计算的兴起是20世纪最重要的科学进步之一。随着社会和科学技术的发展和进步，需要解决的问题越来越多，越来越复杂，计算机与计算数学的关系也越来越密切，古老的计算数学发展成了一门现代意义下的新学科——科学计算。