ABACUS 3.0：共建AI辅助的新一代电子结构算法平台

基于量子力学基本原理的第一性原理计算方法可以有效的预测材料的性质，如今已在物理、化学、材料、生物等多个学科的研究工作中被广泛使用。第一性原理计算方法从考虑原子和电子的微观角度出发，通过高性能计算机求解出材料的基本性质，可以加深人们对材料性质的理解，甚至预测新材料的性质。其中，密度泛函理论（Density Functional Theory，简称DFT）由于较好地平衡了精度和效率，是目前最为广泛使用的第一性原理计算方法，DFT的提出者之一Walter Kohn因此获得了1998年的诺贝尔奖。

随着对材料领域的深入研究，对DFT的精度和效率进行改进也是长期以来的需求。例如，要推动材料科学的研究模式从试错法到设计的转变，就需要进一步提高DFT的精度和效率，而这两者往往不可兼得。近年来，在AI for Science（AI4S）理念的引领下，科学领域迎来了许多重大突破。例如，基于机器学习的势函数DeePMD方法能以量子力学的精度模拟上亿原子，获得了高性能计算领域的最高奖戈登贝尔奖，而AlphaFold预测蛋白质结构，也在Science杂志公布的2021年年度科学突破位列榜单。当我们细看科学计算领域的传统难题时，我们也意识到在AI4S浪潮下有一股暗潮涌动。事实上，AI辅助的电子结构算法近年来发展迅速并且已经获得许多重要进展，例如DeePKS模型、DM21模型[1]、DeepH等新方法都从不同角度出发，克服了传统电子结构计算方法精度或效率的缺陷。预期在不久的将来，AI辅助的新一代电子结构算法会引起第一性原理新算法和新软件的变革，并有望从根本上加快材料设计时代的最终到来。

虽然基于AI的新算法伴随着新硬件正在快速演化，但AI辅助的电子结构计算新进展这几年并没有大量的显现，一个重要原因是基础的电子结构软件平台并没有准备好。换言之，想要将AI辅助的算法嵌入第一性原理软件并非易事。例如，目前广泛流行的DFT软件都是经过多年打磨而成，想要针对AI算法进行代码的结构框架调整难度极大。虽然有部分DFT软件是面向“开发者”的，但其运算效率并非一定适合用来“生产”科研所需的大量数据。因此，想要在AI4S的背景下快速发展DFT软件，我们意识到一个开源开放的DFT软件平台极为重要。在21年的9月份，我们倡导发展开源开放的国产密度泛函理论软件；22年的4月份和7月份，ABACUS团队先后发布了ABACUS 2.2和2.3版本，也因此收获了许多志同道合的伙伴的鼓励和支持，在此我们衷心感谢这一年多来关注ABACUS的老师和同学们。

值此2022年的国庆，我们发布ABACUS 3.0，意在呼吁共建AI辅助的新一代电子结构算法平台。新的3.0版本里推出了基于周期性边界条件的新泛函DeePKS方法；支持基于ABACUS计算产生数据来训练机器学习势函数（与DeePMD-kit和DP-GEN做了接口）；我们也携手机器学习构建电子系统哈密顿量的DeepH方法，实现对于大规模体系电子结构的高效处理。我们也希望看到更多志同道合的伙伴们加入DeepModeling社区平台，一起共建AI辅助的新一代电子结构计算软件平台ABACUS。在接下来的发展计划里，我们将在以下三方面持续努力：

1）在和用户交互方面，程序的正确性、稳定性和易用性我们始终关注的焦点，我们会持续聆听用户的反馈（微信群或者GitHub），及时对代码进行修复和完善。我们坚信好的代码是“用”出来的，不是“写”出来的。ABACUS被社区最广大范围内的用户所认可，是我们持续奋斗的目标。此外，我们也将针对不同知识背景的用户，定期推出线上或线下的培训活动。例如和首次接触DFT软件的同学有更多的互动，使得他们的疑惑能够得到全面和深入的解答；让有一定DFT软件使用经验的同学深入地了解电子结构计算方法，从而能更好地使用DFT软件。

2) 在新功能方面，团队将会进一步发展更高精度的泛函方法、更高效率的并行方案，以及超越传统Kohn-Sham的密度泛函理论方法，积极推动量子化学算法和DFT软件的深度融合，并对以上算法提供高性能支持，特别是面向国产超算硬件。此外，我们也在关注自动微分DFT软件的发展，有意愿为相关新算法进行更深入的代码重构。同时，ABACUS中还会陆续推出和更多程序的新接口，方便用户进行搭建适合自己科研问题的工作流。

3) 在代码框架层面，因为ABACUS代码同时支持平面波基矢量和数值原子轨道基矢量，代码整体框架的重构从21年1月份开始就一直作为团队最重点的任务在持续进行，目的是进一步降低开发者的学习门槛，减少模块之间的依赖性，让不同的模块尽量独立，这样可以迎接可能到来的更大规模协作开发。在接下来的ABACUS发展计划里，我们会逐步的对已经建立好的模块提供完整的文档和测试支持。

关于ABACUS 3.0版本更多的更新细节，请看这篇推送《探索 AI+DFT 最前线，「原子算筹」ABACUS 3.0 重磅发布！》。

此外，为了让大家更加深入地了解ABACUS 3.0版本，ABACUS 3.0讲座定于10月4日（周二）上午10:00-11:00正式举行！本次交流会由ABACUS核心开发者陈默涵老师向大家介绍ABACUS 3.0版本相关内容，并回答大家关心的问题。诚挚邀请每一位关心和关注ABACUS的用户参与，共建AI辅助的新一代电子结构算法平台！（讲座正式推送将于10月3日发布）

密码：221004

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国产开源密度泛函理论软件ABACUS的中文翻译是“算盘”的含义，2022年秋天ABACUS有了官方的中文名字：原子算筹。算筹是中国古人创造的计算工具，我们也希望在不远的未来，国内能发展出世界领先水平的原子尺度计算软件，并且涌现出一批新的电子结构计算年轻人才。

ABACUS在DeepModeling社区中的GitHub仓库地址为：

https://github.com/deepmodeling/abacus-develop

ABACUS网站：

http://abacus.ustc.edu.cn/

ABACUS文档：

http://abacus.deepmodeling.com/

微信群：

添加DeepModeling小助手申请加入，微信号为：deeppotential

如何加入ABACUS团队？

请点击：Offer不决？量子力学！｜AISI电子结构团队招人啦

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