高性能计算在材料科学中的应用

在当今的科学研究中,计算已和实验、理论并列为三大科学方法。随着计算技术的迅猛发展、科学理论模型日渐成熟．高性能计算在科学、工程和社会等领域都有了广泛应用,用它来模拟或代替实验已成为可能。在地球地质、气象气候、测绘科学、天体空间物理、凝聚态物理、高能物理、计算化学、分子生物学、基因测序、材料科学等领域,高性能计算已是必备的研究手段。     

为计算主义辩护

自1980年代以来，计算科学与计算技术已在科学活动和社会生活的各个方面显示出巨大威力。在科学方面，计算已与实验、理论形成三足鼎立之势，成为当代科学研究的一种新视角、新理念和新方法：在哲学方面，计算这一原本属于数学领域的专门概念也已上升为一种新的哲学范畴，成为人们审视世界的一种新的世界观。“计算主义”已成为当今科学界、哲学界最具时代特色的一个概念和主张。     

机器学习与计算力学的结合及应用初探

自20世纪50年代以来,随着计算机科学的不断进步,机器学习和数据科学得到了长足发展.这些技术一般依靠大量数据作支撑,通过训练过程提取出蕴藏在数据内部的抽象映射关系,目前已被成功应用于化学、生物等自然科学研究领域.近年来,这些技术也逐渐受到计算力学领域研究者的关注.本文结合作者的相关研究成果介绍了机器学习、数据科学与计算力学相结合的3种形式:第一种是与有限元方程求解方面的结合,直接应用卷积神经网络算法求解线性有限元方程;第二种方式结合有限元计算和机器学习预测复杂材料结构与力学性能的关系.本文作者应用该方法基于细观页岩扫描照片和随机建模算法,成功训练出可以有效预测细观页岩样本等效模量的卷积神经网络;第三种方式是建立基于数据驱动的计算力学方法,比如直接利用真实的材料实验数据代替材料本构模型.这些工作显示了机器学习、数据驱动在处理材料的力学实验数据、设计新型材料以及创建更高效的计算力学模型方面的广阔前景.随着计算力学的发展,未来将可能出现更多将数据科学、机器学习与计算力学相结合的应用场景,进一步开发出更加强健、高效和保真的计算力学方法.     

科学和工程计算

科学和工程计算的兴起是２０世纪后半叶最重要的科技进步之一。随着计算机和计算方法的飞速发展,几乎所有学科都走向定量化和精确化,从而产生了一系列计算性的学科分支,如计算物理、计算化学、计算生物学、计算地质学、计算气象学、计算材料科学等等,计算数学则是它们...     

“天河一号”：中国的世界速度

从1946年世界上第一台电子计算机埃尼亚克（ENIAC）诞生起,计算机性能遵循摩尔定律飞速提升。随着科学研究的不断深入和经济社会的持续发展,单台计算机的性能已无法满足科学计算需求,超级计算机（又称高性能计算机）由此诞生并迅速发展,其计算速度快、存储容量大,是实现高水平科学研究和生产研发的重要平台．可以解决大型科学与工程领域的重大计算难题。     

谈谈计祘机科学

自从出现第一台电子数字计算机之后,它的发展一直十分迅速。目前由于客观的需要和大规模集成电路技术的发展等原因,计算机正出现一个新的飞跃。随着计算机的迅速发展,围绕着如何设计、制造和应用计算机,不断提出各种问题,这些问题中,既有工程性质的,也有理论性质的。在理论性质的问题不断提出和解决中,逐步积累了大量的知识,在本世纪六十年代逐步形成了计算机科学。同样,通过工程性质问题的提出和解决,形成了计算机技术(或计算机工程学)。它们是既有区别,又相辅相成的两门学     

专家系统:技术和范畴

专家系统作为人工智能研究的一个应用领域,已引起计算机科学、自动化理论及其他科技和工程领域科研工作者的广泛兴趣。《专家系统:技术和范畴》可使读者对专家系统得到一个较全面的了解。     

分子计算机能取代传统计算机吗?

分子计算计划就是尝试利用分子计算的能力进行信息的处理。换言之 ,就是尝试用分子发展多用途计算机。 1994年 ,Ｌ·阿德拉曼 (Ｌ .Ａｄｌｅｍａｎ)发表了用生物分子 (ＤＮＡ)制造多用途计算机的突破性论文 ,这时分子计算的思想才算真正确立。此后 ,利用ＤＮＡ分子进行计算被普遍称作“ＤＮＡ计算”。除了阿德拉曼所用的方法之外 ,人们曾通过多种途径探索过分子水平上的信息处理 ,但ＤＮＡ计算与先前其他方法的本质区别在于 :它旨在基于普通计算的理论而建造多用途的计算机。这似乎是由ＤＮＡ分子的特性所决定的 ,这种特性就是四个天然碱基…     

计算机分子模拟——2013年诺贝尔化学奖简介

计算机分子模拟技术的发展至今已有半个世纪的历史,现被广泛应用于解决各种复杂化学和生物学问题,比如药物设计和材料设计。2013 年诺贝尔化学奖授予给卡普拉斯、莱维特和瓦谢尔三位美国科学家,以表彰他们在“发展多尺度模型研究复杂化学体系”上的贡献。这次授奖表明,对于今天的化学家来说,计算机分子模拟已和试管实验同等重要,理论和实践要密切合作才能解决复杂问题。笔者主要介绍计算机分子模拟技术的基本概念、发展简史,以及主要应用领域,并对此技术的未来发展做了展望。     

计算爆炸力学及相关进展

爆炸力学是研究爆炸的发生和发展规律以及爆炸的力学效应的利用和防护的学科. 爆炸力学的数学模型是一组非线性偏微分方程, 过去用理论分析的方法研究爆炸力学问题, 主要是根据问题的性质将方程简化便于求解, 但其准确性和应用范围非常有限. 随着数值计算方法的不断发展和计算机处理能力的不断提高, 计算爆炸力学成为爆炸力学的新学科分支. 自20 世纪60 年代以来, 各国的爆炸力学工作者进行了大量爆炸力学数值计算工作, 极大地推动了计算爆炸力学的发展. 本文主要对国内在计算爆炸力学领域取得的相关成果进行评介.     

科学计算与物理、化学及材料科学

科学计算已成为与理论研究、实验研究相并列的三大科学研究方法之一,是理论研究和实验研究中不可或缺的部分。计算科学的发展还推动了计算物理、理论化学和材料设计等分支学科的发展。科学计算是一个与数学模型构建、定量分析方法以及利用计算机来分析和解决科学问题相关的研究领域。近年来,由于计算机技术的高速发展,运算能力和运算速度极大提高,使得科学计算逐渐成为与理论研究、实验研究相并列的三大科学研究方法之一,而且科学计算也成为理论研究和实验研究中不可或缺的部分。不仅如此,计算科学的发展还直接推动了计算物理、理论化学和材料设计等分支学科的发展,并在向生     

编后记

目前,功能陶瓷已形成了一门很有发展前途的新兴学科。中科院上海硅酸盐研究所王永令教授《功能陶瓷的新发展》一文概述了功能陶瓷的五个基本功能,介绍了功能陶瓷基础研究的若干方面理论与基础研究课题,并提出了相变爆电换能器和铁电薄膜存储器两项新应用,使我们基本了解这项材料科学基础和新材料研制及应用开发方面的丰富内容。重庆建筑工程学院祝家麟教授的《科学工程计算与计算数学》一文以现代科技发展与科学计算的更为紧密的依赖关系说明计算继“实验”与“理论”两种方法之后已成为第三种科学方法,计算与经济建设、国家安全相关,计算数学是各种计算性学科的基础,一个国家能否拥有用于科学计算的超级高效能计算机已经成     

计算生物学

计算生物学(computational biology)是一门典型的交叉学科,涉及的学科包括数学、统计学、化学、物理学、生物学和计算机科学等.就整个学科的内容而论,计算生物学最终是以生命科学中的现象和规律作为研究对象,以解决生物学问题为最终目标,数学和计算机仅仅是解决问题的工具和手段.     

高性能计算技术发展

高性能计算（超级计算）技术是国家发展的战略性制高点技术。本文介绍了高性能计算技术的重要地位及当今世界各国装备应用情况;介绍了高性能机的发展历史与分类、最近十年的标志性成果及最近一年的世界最快计算机的前10名;分析了发展高性能计算技术的主要难点和研究方向;展望了未来十年发展的巨大新挑战。     

材料基因组计划简介

美国总统奥巴马明确指出“材料基因组计划”(The Materials Genome Initiative, MGI) 的总目标是“将先进材料的发现、开发、制造和使用的速度提高一倍”。白宫科技政策办公室在2011年6月发布的相应的白皮书《具有全球竞争力的材料基因组计划》中阐述了材料创新基础设施的三个平台：计算工具平台、实验工具平台和数字化数据(数据库及信息学)平台。材料基因组计划/工程不仅仅是要开发快速可靠的计算方法和相应的计算程序,而且也要开发高通量的实验方法来对理论进行快速验证并为数据库提供必须的输入,还要建立普适可靠的数据库和材料信息学工具,以加速新材料的设计和使用。材料基因组计划/工程旨在材料领域建立一个新的以理论模拟和预测优先、实验验证在后的“文化”,从而取代现有的以经验和实验为主的材料研发的理念。     

计算机代数及其应用

何谓 CA 计算机代数(Computer Algebra,简称CA)是计算机科学百花园中的一枝新蕾,它又称为计算机公式处理或符号处理等。它与通常大家所熟悉的数值计算不同,数值计算的目的是在于更有效地使用计算机,以求得各类数学问题的满足一定精度的数值解;而CA是研究使用计算机对公式直接进行处理的理论、算法和系统的计算机科学的一个分支,利     

专家系统、系统工程及思维模型

何谓专家系统?专家系统的专著介绍说:将专家的知识、经验、方法存贮在计算机内,计算机便象真正的专家一样处理、解决某类问题,这样的计算机软硬件系统便是专家系统. 自50年代第一个医学专家系统MYCIN问世以来,专家系统的理论和实践工作都有了突飞猛进的发展,它的应用前景,无疑是光明的.但是专家系统的出现对于自然科学有些什么启示?作为一个“系统”,它与系统工程或称为系统论有什么联系?本文试图探讨这些问题,并将提出系统论中的思维模型.     

专家系统其及应用

专家系统和机器人学是 LZ 智能研究中发展最快的两个分支,前者是用来模拟人类的思维活动,后者是用来替代人类的肢体行为,它们都是计算机的研究和应用发展到一定阶段的产物。计算机首先被用于数值计算,从本世纪30年代提出符号计算和符号处理的理论概念,到50年代发展起来的控制论,把神经系统的工作原理与信息理论、逻辑推理与计算机联系起来,开始用计算机来表示和实现人的智能活动,其中最著名的例子是下棋对弈和定理证明。60年代以来,LZ 智能研究的重点已从探索普遍的思维规律转向知识为中心,进入模拟人类智能活动的重要领域,且已逐步实用化。专家系统的本质是以某一领域知识为基础,利用计算机程序,模拟人类专家的推理活动,以得到     

在Internet上如何进行科学研究

过去50年里计算机对科学与工程所带来的巨大冲击已众所皆知，然而在不久的将来，这种冲击可能会更大。1993年美国国家研究委员会的一份报告指出：计算机与电子通讯的融合，在显著提高美国研究工作者的成果数量和研究效率方面具有巨大的潜力。要实现这种潜力，一个主要步骤是将科研人员群体的兴趣与计算机科学及工程人员群体的兴趣尽可能多地结合起来，以创造出高度集成、面向工具的计算与通讯系统来支持科学合作，这样的系统可称之为“合作实验室（collaboratories）”。“合作实验室”这一名称是由威廉·伍尔夫（WilliamWulf）教授提出的…     

离散数学的形成、发展及其在计算机科学中的作用与地位

随着新技术革命的日益发展,计算机的应用领域不断拓广,计算机科学已经成为发展迅速,举世瞩目的新兴学科,尽管这个学科定义分歧、名称各异,但是它与数学的紧密联系,已使它成为包含着大量计算实践的人工科学。构成计算机科学的核心是数据结构、算法和程序设计,但是这些核心内容都是建立在离散结构基础之上的。离散结构主要是指离散对象之间的数学结构,所以又称离散数学,这个名称是1974年由美国IEEE计