以合作促发展：共建国产密度泛函理论开源软件ABACUS

给我来碗大肉面

在高性能计算技术与机器学习方法飞速发展的今天，理论计算有望更快速地突破科学边界，解决更多的实际问题。密度泛函理论兼具效率与精度，正在释放出巨大的潜力。ABACUS作为积淀深厚的国产开源密度泛函计算软件，致力于结合高性能计算和机器学习方法，推动电子结构新算法的发展和普及，提高学生的电子结构算法知识水平，为更多科研人员、老师和学生们提供更方便易用的免费开源软件，为更多开发者提供一个框架清晰、方便上手的开发平台，努力将第一性原理方法打造成面向实际应用场景的解决方案。

8 月 26 日，由北京大学和北京科学智能研究院（AISI）举办的国产开源软件研讨会「ABACUS开发者会议」在北京春晖园会议中心正式开幕。本次会议汇聚了第一性原理、电子结构、工业软件开发、高性能计算等领域的多位专家和学者，共同讨论了电子结构算法的最新进展及国产密度泛函理论软件的发展，并呼吁以开源的方式共建国产密度泛函理论软件软件ABACUS。




【大会合照】

会议致辞：共建“自主可控”的密度泛函软件，让ABACUS成为鼓励创新的平台

本次会议邀请到鄂维南院士和何力新教授进行开幕致辞。

鄂维南院士从“自主可控”出发，强调密度泛函软件“自主可控”的意义不仅仅是保证自身的安全，也是科研创新的基础——只有软件自主可控，才能将密度泛函相关的创新想法实现到软件层面，从而进一步促进创新能力的提升。鄂老师提出了三个现阶段发展密度泛函软件的机遇：密度泛函相关模型还未成熟、相关算法仍可优化、软件与硬件适配依然存在大量工作。基于此，鄂院士鼓励大家抓住机遇，共建“自主可控”的密度泛函软件ABACUS。





何力新教授回顾了ABACUS的发展历史，并提出ABACUS发展的两个阶段，在ABACUS 3.0之前，主要实现国产密度泛函软件从无到有、从有到好，这个阶段主要工作是实现相关功能并保证准确、高效的结果。而在即将发布的ABACUS 3.0之后，就进入以创新为主的阶段，将新的理论、算法和功能添加到ABACUS中，让ABACUS成为强大的研究工具、鼓励创新的平台并和其他相关软件共同打造计算材料科学社区。





ABACUS回顾与展望：从2.1到3.0版本

ABABUS在过去一年多时间中完成了2.1到3.0版本的迭代（3.0版本将于10月1日发布）。作为ABACUS核心开发者之一，北京大学陈默涵老师详细介绍了在不断拥抱开源、共建密度泛函软件过程中遇到的来自软件工程方面的挑战和收获，以及ABACUS的最新功能和软件重构之后新的框架。





从2021年初开始，ABACUS积极拥抱DeepModeling社区及其开源理念，引入分布式的软件开发管理模式，突破了原有依赖少数核心开发者的局面。目前，ABACUS开发人员覆盖了从国内外科研院所教师、研究生、高年级本科生到研发工程师、新型研发机构研究员的广泛人群；程序在稳定性、易用性、文档完整性、新功能开发流程及版本管理等方面都有了长足的进展。开源的理念与开发模式的转变极大地提升了ABACUS的软件开发效率，也为ABACUS带来了很多新的功能。此外，为打磨一个对用户和开发者开放、友好的DFT软件，ABACUS在过去一年多的时间内正持续推动代码重构，将软件架构分为面向用户的操作层、面向开发者的功能层以及易于组合、计算高效的程序基础层。这一代码框架既降低了用户使用ABACUS进行相关计算的门槛，又方便开发者基于ABACUS实现自己的DFT理论。





基于国产开源软件的电子结构算法研讨

本次ABACUS开发者会议邀请到多名国内从事电子结构计算的专家进行汇报和交流，大家对于最新的电子结构算法进行了介绍，并围绕ABACUS这一国产开源密度泛函理论平台更好的发展提出了大量宝贵的建议。

电子结构算法方面，北京大学蒋鸿老师介绍了应用于强关联体系的DFT+U方法最新进展；北京科学智能研究院（AISI）、深势科技的张林峰博士介绍了机器学习辅助的电子结构计算，并重点介绍了适用于周期性边界条件的ABACUS+DeePKS方法，可以以高精度（杂化泛函精度）高效率（GGA效率）模拟液态水；中物院研究生院徐贲老师提出了从第一性原理出发描述磁性激发态的最新算法并正在ABACUS中实现；中山大学曹坤老师介绍了应用含时密度泛函微扰理论 (TD-DFPT) 计算自旋涨落的最新算法和进展；AISI的李文菲研究员介绍了ABACUS中基于数值原子轨道的metaGGA泛函实现。
















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除了电子结构算法研究本身的发展，电子结构算法也广泛应用到不同的科研领域。中科院物理所孟胜老师介绍了如何利用rt-TDDFT方法揭示激光诱导相变的物理机制；西湖大学刘仕老师介绍了自洽计算Hubbard U参数的DFT+U+V方法及相关研究进展；哈尔滨工业大学荆宇航老师介绍了使用机器学习分子动力学进行的辐照环境下单晶硅损伤效应的研究等等。






除了老师外，让我们惊喜的是，会议还有一批年轻且优秀的研究生分享了自己和ABACUS相关的工作。中国科学技术大学的瞿鑫同学介绍了基于ABACUS中数值原子轨道进行DFT+DMFT计算的方法，并且展示了一些强关联体系的计算结果；北京大学的孙梦琳同学介绍了如何在ABACUS中实现溶剂化模型，以及对一些体系的测试结果。北京大学的李源波同学介绍了ABACUS中rt-TDDFT算法的实现和测试，来自中国科学技术大学的金敢同学介绍了基于局域轨道构建哈密顿量的后处理新软件，石荣同学也分享了结合ABACUS和Random Phase Approximation进行周期性体系的计算新进展。






新的电子结构算法不断涌现，国内电子结构算法研究也在快速发展，一批年轻人正在快速的成长，并且相关新算法已经可以应用到实际科研问题中，为解决实际问题提供切实的帮助。这些科研成果反映了密度泛函理论持续发展的强大生命力，也突出了国内建设自主可控的密度泛函软件的必要性。

国产密度泛函理论软件建设相关技术与经验

电子结构算法的发展需要密度泛函软件作为底层支撑，而科学计算软件开发又是一个非常庞大的系统工程。本次ABACUS开发者会议也邀请到相关领域的多位专家从高性能计算、算法工程化、软件架构设计等方面进行了讨论与分享。

高性能计算方面，中科院计算所的贾伟乐老师介绍了在国产超算上对体系哈密顿量进行选择求逆方法的最新优化进展，物理所的林霈泽博士介绍了Beyond DFT的Resolution of Identity方法通用程序设计；算法工程化方面，AISI的算法研究员白晓旷介绍了AISI电子结构团队在ABACUS开发与重构过程中积累的算法工程化经验，从测试及持续集成等角度分享了科学计算软件开发组的最佳实践；软件架构设计方面，AISI的算法研究员郑大也博士介绍了ABACUS面向密度泛函理论新算法及高性能计算开发者的新代码框架及重构的进展。












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ABACUS 3.0 hands-on workshop&会议其他内容

除了最新的算法与软件技术分享与交流，本次峰会还邀请到AISI的算法研究员欧琪、彭星亮、蔡淳带来ABACUS 3.0的教学培训workshop，为参会者们提供上手实践新功能的机会。三位研究员依次给大家讲解了ABACUS基础使用、如何在DP-GEN中调用ABACUS、DeePKS基础原理以及如何在ABACUS中使用DeePKS。三个小时的培训让听众受益匪浅。

为了进一步鼓励各位专家之间观点的交流，ABACUS开发者会议还设置了顶级专家思想碰撞的圆桌讨论环节与开发者根据兴趣参与的小组讨论环节。思想的交流碰撞出灵感的火花，会议在热烈的讨论中结束。让我们一起期待明年的ABACUS开发者会议。



















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以合作促发展：共建国产密度泛函理论开源软件——ABACUS

当下，AI正在深刻地改变科学领域的各方面。在密度泛函理论领域，我们将致力于把国产开源密度泛函理论软件ABACUS打造成实现创新算法的基础平台和高效易用的计算工具——对于电子结构软件的开发者，新的算法可以快速使用ABACUS实现和验证；对于电子结构软件的使用者，ABACUS可以进行更高效、更准确的计算模拟。

今后，ABACUS将继续坚持开源的路线，始终与开发者、使用者一起成长和发展，不断丰富和优化自身，为开发者们提供更便利、更稳定、更多样化的体验。我们相信，未来的路依然充满机遇与挑战，ABACUS的发展也需要更多的力量共同努力。在这里，我们诚挚邀请电子结构算法的研究者、电子结构软件开发者及电子结构软件使用者们以各种形式一起参与到ABACUS的开发中，在尝试ABACUS的新功能的同时不断优化软件效率和使用体验，并为ABACUS持续增加新的算法。

未来之路，愿与各位携手并肩、砥砺前行，以合作促发展，共建国产开源密度泛函理论软件——ABACUS。

附录：ABACUS相关资料
ABACUS在DeepModeling社区中的GitHub仓库地址为：
https://github.com/deepmodeling/abacus-develop

ABACUS网站访问：
http://abacus.ustc.edu.cn/

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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