近期，北京大學新材料學院鄭家新課題組與深圳屹艮科技合作，基于高性能Julia語言，成功研發(fā)出具有完全自主知識產(chǎn)權的DFT計算軟件Hylanemos。該研究實現(xiàn)了從算法到代碼的全面自主可控，徹底擺脫對國外軟件的依賴，為新材料、新能源等關鍵領域的底層創(chuàng)新構筑了安全屏障。作為首款達到工程應用級的國產(chǎn)DFT軟件，Hylanemos的突破不僅在于技術工具的替代，更標志著我國在計算材料學領域?qū)崿F(xiàn)了從“跟跑模仿”到“自主創(chuàng)新”的歷史性跨越，對推動產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、培育新質(zhì)生產(chǎn)力、實現(xiàn)新型工業(yè)化具有重要意義。相關研究成果以“Hylanemos: an integrated solution for materials simulations based on Kohn-Sham DFT”為題，發(fā)表于中科院一區(qū)top期刊Science China Technological Sciences。
密度泛函理論（DFT）計算軟件是材料科學、化學、物理等領域的核心工具，其意義在于通過理論模擬揭示材料的電子結構、能量狀態(tài)和物理化學性質(zhì)，從而避免大量試錯實驗，提高研發(fā)效率，縮短新材料研發(fā)周期。然而，我國在該領域長期依賴VASP、Quantum Espresso（QE）等國外軟件，面臨技術封鎖風險、高昂授權費用及復雜操作門檻等多重制約，嚴重掣肘本土科研創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)安全。
研究團隊開發(fā)的 Hylanemos 計算軟件在底層架構、計算性能和功能模塊等方面均取得了重要進展和顯著突破，具體表現(xiàn)在以下三個方面：
1. 底層架構創(chuàng)新。
通過分層解耦架構，實現(xiàn)了計算任務的分層式流程優(yōu)化。各層通過標準化接口交互，避免了傳統(tǒng)軟件依賴狀態(tài)跳轉以實現(xiàn)復雜算法的冗余設計，顯著提升了新算法開發(fā)效率。軟件原生支持多種不同類型計算，無須依賴VTST、VaspSol等第三方庫，大幅降低了部署復雜度。
圖1. Hylanemos的分層式程序框架設計
2. 計算性能領先。
Hylanemos充分發(fā)揮了Julia語言的優(yōu)勢特性。在48/96個原子的LiCoO2體系測試中，展現(xiàn)出優(yōu)于VASP和QE的計算速度；在300個原子的較大體系計算中，仍保持卓越的性能表現(xiàn)，驗證了軟件的高效并行計算能力。此外，自主開發(fā)的超軟贗勢（Eacomp PP）將傳統(tǒng)USPP在鋰電池正極材料計算中的截斷能從24 Ha降至18 Ha，在保持精度的同時減少了30%的計算量。
圖2. Hylanemos的性能對比測試
3. 精度與功能雙輪驅(qū)動。
經(jīng)與VASP、QE等主流軟件進行跨平臺對比驗證，Hylanemos在能帶結構、聲子譜、遷移能壘等常用性質(zhì)上展現(xiàn)出了與主流軟件相當?shù)木取Ｍ瑫r，Hylanemos在功能持續(xù)研發(fā)與精度保證方面具有顯著優(yōu)勢，未來將通過算法創(chuàng)新與模塊擴展，進一步提升功能覆蓋范圍、計算穩(wěn)定性與精度。
圖3. Hylanemos在多種性質(zhì)上展現(xiàn)出了可靠的高精度表現(xiàn)
作為國產(chǎn)DFT計算軟件的創(chuàng)新代表，Hylanemos將繼續(xù)肩負“順時代之勢、應國家之需、答產(chǎn)業(yè)之盼”的使命擔當，圍繞技術深化、開放共享、生態(tài)共建、產(chǎn)業(yè)賦能四大方向持續(xù)突破，致力于構建具有全球競爭力的計算材料學生態(tài)系統(tǒng)。該平臺將努力成為連接學術界與產(chǎn)業(yè)界的“數(shù)字橋梁”，推動我國從“實驗試錯主導”向“計算驅(qū)動創(chuàng)新”轉型，促進未來產(chǎn)業(yè)“人工智能+”的協(xié)同聯(lián)動，在全球新材料革命中樹立“中國方案”，并為“雙碳”目標下的能源技術突破與高端制造升級提供核心算法支撐。
新材料學院鄭家新副教授及深圳屹艮科技核心算法工程師揭鑒澍、許明為本文通訊作者，深圳屹艮科技揭鑒澍為第一作者。該研究得到了國家自然科學基金數(shù)學天元重點專項和北大深研院-屹艮科技電池材料仿真聯(lián)合實驗室的支持。
論文鏈接：
https://www.sciengine.com/SCTS/doi/10.1007/s11431-025-2974-2
