Atom by Atom、スーパーコンピュータが合金に光を当てる

Oliver Peckham

合金は人間の文明の中心にあるが、情報化時代の合金の開発は青銅器時代とは大きく異なる。試行錯誤の製錬は、個々の原子に至るまで合金開発をマイクロ管理するために、高性能コンピューティングの使用にその道を譲った。オークリッジ国立研究所（ORNL）では、Markus Eisenbachと彼の同僚らが、これらの超精密で未来的な合金を開発するという計算上の課題に取り組んでいる。

「別の元素の原子に対するある元素の原子の特定の位置は、合金の特性と、それが引張強度と損傷抵抗にどのように影響するかに大きな違いをもたらす可能性があります」とORNLのリーダーシップコンピューティングファシリティ（OLCF）で凝縮物質および材料科学を専門とする計算科学者であるEisenbachは述べた。

研究チームは、ORNLで作成された電子構造コード（Locally Self-consistent Multiple Scattering、または「LSMS」）を使用して、特定の合金の相転移に関する理論をテストすることを目的として、単一原子計算を実行した。 「この研究では、原子配置が秩序化から無秩序に変化する時期、つまりこれらの相転移がどの温度で起こるかを判断しようとしています」とEisenbachは説明した。

合金の磁気的挙動、結晶構造、個々の原子位置を分析すると、膨大な量のデータが生成されるためEisenbachと彼の同僚らは、OLCFのCray XK7 Titanスーパーコンピューター、18,688 AMD Opteron CPUと18,688 Nvidia K20 GPUを活用して18近いLinpackペタフロップスを提供するシステムを、8月に廃止される前に採用した。

具体的に言うと、LSMSコードは、シミュレートされた合金の個々の原子をスーパーコンピューター内の個々のノードに割り当てられた。その計算能力のおかげで、この研究は、合金が実世界でどのように機能するかを理解するために、原子の特定の順序が重要であることを実証することができた。

「これには、さまざまなエネルギー構成に対する数十万の計算のような、Titanの前には不可能だった非常に多くの計算能力が必要です」とEisenbachは述べた。

	Xianglin LiuとMarkus Eisenbachと Summitスーパーコンピューター。 ORNLによる画像提供

現在、タイタンの廃止により、研究者ははるかに強力なシステム、つまり世界最速の公的にランク付けされたスーパーコンピュータへの移行を行っている。

「特定の合金を構成するより複雑な材料で計算を実行し、統計力学シミュレーションのパフォーマンスを改善するために人工知能技術を組み込んで、この作業を継続するために現在Summitの使用を検討しています」とEisenbachは述べている。そして彼らは、複雑な材料の微細構造の欠陥を分析できると予想し、Summitを超えて、2021年に期待されているORNLのエクサスケールシステム、Frontireに目を向けている。

この研究について

この記事で説明した研究は、Journal of Physics：Condensed Matterに「First-principles study of order-disorder transitions in multicomponent solid-solution alloys」として公開されました。これは、Markus Eisenbach、Zongrui Pei、およびXianglin Liによって作成され、このリンクから確認することができます。

この研究について議論しているOLCFの元の記事はここから確認できます。