中山大學攜手國網中心 加速量子材料研發速度

中山大學物理系特聘教授莊豐權。DIGITIMES攝

在好萊塢電影-鋼鐵人中，主角為克服挑戰，透過合成出新材料的方式，最終研發出能推動鋼鐵衣的能源。而在現實環境中，由中山大學物理系特聘教授莊豐權帶領的人工智慧與計算材料實驗室，正是從事新穎的量子材料研究，及預測新穎材料的特性，期盼為全球人類創造幸福與解決各種問題。如現今最受關注的能源議題，又或者將奈米科技應用在新產品之中，進而創造出不同的使用體驗。

中山大學人工智慧與計算材料實驗室是以熱電材料、拓撲材料、二維材料研究主體，專案研究過程中最大挑戰之一，除得要找到可用的材料外，還要考慮材料取得的可能性與便利性。材料的結構可分成不同維度，如有零維、一維、二維及三維。其中，在零維有原子團、分子、奈米粒子，一維則有奈米線，二維有表面介面，三維稱之為晶體。由於材料結構非常複雜，所以研究團隊必須引入及發展新AI演算法，加速材料性質的預測，自然也需要高效能的HPC平台縮短研究專案的計算時間，而國研院國網中心則是莊豐權的長期夥伴。

莊豐權表示，量子材料研究的挑戰，在於需精確預測新材料的性質，整個研究過程大致上歸列成物理理論、模擬、實驗、合成模型等。若研究過程中有錯誤，則需修正後，再次進行模擬與實驗等。為有效率且快速的預測材料性質，我們引進人工智慧的方法，以及最佳化及高通量的方法，結合高運算HPC平台，才能縮短研發時間。考量到自行建置HPC平台需要花費大量成本與人力，且日後也得定期進行更新設備，所以我們研究專案啟動之初，即選擇使用國網中心的HPC資源，整體成效令人非常滿意。

材料結構檢查時程長 仰賴台灣杉超級電腦協助

前面曾經提到，量子材料研究的挑戰非常多元，所以莊豐權帶領的人工智慧與計算材料實驗室，主要是利用量子力學方法來計算材料的波函數，以便解決解巨大的矩陣對角化問題。計算系統難度隨著原子數目增加，難度也同步大幅增加。以名為「秦特」的材料為例，因為可由不同的元素、及不同的晶體結構，若按照所有排列組合進行計算，代表需要有好幾百個、甚至上千個結構需要檢查，因此需要AI模型搭配HPC平台等相互搭配。

莊豐權表示，舉例而言，若一個結構使用個人電腦進行檢查要花上3天時間，若要檢查300個結構，就得花上近3年的時間。相較之下，改用國網中心的台灣杉超級電腦資源時，則可將300個結構同時丟到系統進行檢查，依照目前國網中心的系統設計與權限，最多能同時檢查10個結構，自然可省下非常可觀的時間成本。考量到許多研究團隊都會使用台灣杉主機資源，每個團隊無法獨佔整個資源，所以每次專案計算都需要透過排序或排程的程式做等待。為此，我們選擇購買國網的另一項服務-專屬帳號的方式，加速整個研究專案進度。

投入量子材料研究已是全球趨勢，在中山大學人工智慧與計算材料實驗室的未來規劃中，會持續與國網中心合作，來加速各種前瞻量子材料議題的研究速度。