这个冲击波传播到最初未压缩的钻石(蓝色)中的数十亿个原子模拟使用来自Sandia国家实验室的高精度SNAP模型来预测最终状态(橙色)是由无定形裂纹(红色)的重结晶形成的，这些裂纹在浅蓝色、绿色和黄色的压缩材料中形成。功劳:桑迪亚国家实验室桑迪亚国家实验室一个名为SNAP的超级计算机模拟模型可以快速预测数十亿个相互作用的原子的行为，它捕捉到了钻石在受到外部压力和温度压缩时的熔化过程。在几百万个大气压下，地球上已知最硬物质的刚性碳晶格在SNAP(光谱邻近分析势)模拟中显示为破裂，熔化成无定形碳，然后再结晶。这项工作有助于理解碳基系外行星的内部结构，并对采用多晶金刚石胶囊的核聚变研究有重要意义。设计新材料及其对巨型行星的意义
“我们现在可以研究许多材料在相同极端压力下的反应，”Sandia科学家Aidan Thompson说，他是SNAP的创始人。“应用包括行星科学问题——例如，什么样的撞击压力会导致我们的月球形成。它还为极端条件下新型材料的设计和制造打开了大门。”
极端压力和温度对材料的影响对于设计巨型行星的内部模型也很重要。强大的能源部设施，如桑迪亚的Z机器和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火设施，可以在地球实验中重建这些世界近乎相同的条件，为彻底压缩的材料提供近距离检查。但是，由于原子水平诊断的局限性，即使是这些独特强大的机器也无法在这些极端条件下精确指出微小的变化机制。
“只有计算机模拟才能做到这一点，”汤普森说。
戈登·贝尔纸业的入围者是“一颗微米大小的压缩钻石”
一篇描述模拟的技术论文被选为戈登·贝尔奖的决赛选手，该奖每年由计算机械协会主办。在橡树岭国家实验室的Summit超级计算机(美国最快的)上，这种钻石特定的建模只花了一天时间，由南佛罗里达大学的Ivan Oleynik教授领导。除了桑迪亚和USF，合作团队还包括能源部国家能源研究科学计算中心和英伟达公司的软件开发人员。
汤普森说，该团队的模拟依赖于SNAP，这是原子间相互作用的领先机器学习描述之一，来建模和解决一个非常重要的问题。
“我们创造了一个微米大小的压缩钻石的巨大模拟，”汤普森说。为此，我们通过在非常多、非常小的时间间隔内重复计算原子力来跟踪数十亿个原子的运动
量子力学计算桥接的机器学习
SNAP使用机器学习和其他数据科学技术来训练一个代理模型，该模型忠实地再现了正确的原子力。这些都是用高精度的量子力学计算方法计算出来的，这种方法只适用于含有几百个原子的系统。该替代模型随后被放大以预测包含数十亿个原子的系统的力和加速度。大规模模拟中出现的所有局部原子结构在小规模训练数据中都有很好的表现，这是准确性的必要条件。
汤普森说，最终结果的另一个关键部分是软件的性能优化，以便在像Summit这样基于GPU的超级计算机上高效运行。“自2018年以来，仅通过改进软件，我们就能够将SNAP代码的速度提高30倍以上，将这类模拟的时间缩短了97%。同时，每一代硬件都比上一代更强大。因此，直到最近可能需要一整年的计算，现在可以在峰会的一天内运行。”
运行时间缩短了97%
汤普森说:“由于超级计算机时间昂贵且竞争激烈，SNAP运行时间的每一次缩短都节省了资金，并增加了模型的实用性。”
桑迪亚研究人员斯坦·摩尔和米切尔·伍德为SNAP模型和性能的显著提高做出了重要贡献。
在超级计算机上运行SNAP的优化软件可以在Sandia的LAMMPS分子动力学代码的开源发行版中获得。用于构建新SNAP模型的Sandia FitSNAP软件也已公开。
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