北京
（原标题：突破百亿级原子壁垒 | 灵晟超算赋能 LAMMPS 百亿原子模拟并行效率 83.20%）
在材料科学与化学工程领域，微观世界的原子运动是理解物质性质、设计新型材料的“密码”。分子动力学（MD）模拟正是破译密码的核心手段，它通过计算原子间相互作用，在原子尺度还原物质演化过程。近期，山东大学高性能计算团队基于“灵晟”超级计算机，对主流MD软件LAMMPS中的关键原子作用模型进行了深度性能优化，实现了万节点规模的稳定高效运行，为复杂材料体系研究打开了新局面。
长期以来，工业界探究高铁铝合金的疲劳断裂机理，或是评估电池电解液的燃爆风险，往往受困于物理试错的漫长周期与高昂成本，在计算机中“预演”原子的每一次碰撞，成为破解研发瓶颈的关键路径。LAMMPS作为这一领域的核心工具，其力场（即计算原子受力与系统能量的数学模型）直接决定了模拟的可行性与准确性。其中，EAM力场与ReaxFF力场构成了材料模拟的关键支柱：前者精准刻画金属多原子协同效应，支撑金属结构稳定性与力学性能研究；后者动态追踪化学键的断裂与生产，是研究材料燃烧、催化及电池界面反应不可或缺的引擎。
随着新材料研发进入“原子级精准设计”时代，十万核级的大规模模拟已成为常态，这对超算平台的并行扩展能力、访存带宽、通信效率以及复杂力场计算的持续吞吐能力提出了更高要求。山东大学高性能计算团队充分发挥“灵晟”算力，结合LAMMPS的MPI并行框架与邻域分解机制，从算法重构、数据布局和计算流水线三个层面，展开了深度的软硬协同优化。
针对EAM力场，“灵晟”LX2 CPU的宽向量计算、支持混合精度等优势，团队采用全邻居表重构计算流程，融合电子密度与原子对势计算，减少通信及运算量；构建混合精度向量化方案，对距离计算与力累加保留双精度，对查表插值及能量计算采用单精度，在保证计算精度的前提下提高并行效率；针对样条插值中的非连续访存瓶颈，压缩并重排系数表，结合64位聚合加载、寄存器内拆分及预取机制，降低Gather指令开销和寄存器压力。
针对ReaxFF力场，结合“灵晟”众核多NUMA架构、HBM-DDR分层存储体系、高并发互连特点，团队重新设计分层邻居数据结构，降低重复数据存储；采用NUMA感知的数据布局、进程与线程绑定、分层通信及动态负载均衡，缓解大规模反应体系中的计算和通信负载不均；对电荷平衡、前缀和及核心力计算实施流水化与并行优化，并结合 FP64/FP32混合精度及 FP16探索，进一步降低内存占用和数据传输压力。
实测数据验证了优化的卓越成效：
●EAM力场：算力规模从2048节点扩展至20000节点（百万核心级），计算问题规模同比例放大，弱扩展并行效率稳定在83.20%，可高效、稳定模拟百亿原子体系。单节点模拟规模增大，强扩展8倍效率仍超50%，展现了极强的扩展性。
●ReaxFF力场：算力规模扩展至589,824核心，支撑十亿原子级反应分子动力学模拟；成功模拟21亿原子体系，峰值吞吐达到756 Matom-step/s。强扩展核心规模提升4倍时效率保持65%–83%，弱扩展16倍扩展后效率保持76%–77%，展现了极强的大规模并行扩展能力。
此次突破的意义远超性能指标本身。以往受限于算力，科研人员难以触及亿级原子体系的反应过程或大型金属构件的微观力学行为。如今，“灵晟”加持下的LAMMPS可在合理时间内完成此类高精度模拟，这将对新能源电池、高温合金、含能材料（如安全气囊产气剂）等关键领域的研发产生深远影响——推动材料研发范式从传统的“经验试错”向“计算驱动设计”转型，大幅缩短研发周期，降低试错成本。展望未来，随着“灵晟”超算软硬件生态的持续进化，分子动力学模拟将进一步向更大体系、更长时域、更复杂场景迈进，为材料科学与化学工程领域的源头创新注入更为强劲的算力动能。
