近期，北京大學(xué)新材料學(xué)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(quán)的DFT計(jì)算軟件Hylanemos。該研究實(shí)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(guān)鍵領(lǐng)域的底層創(chuàng)新構(gòu)筑了安全屏障。作為首款達(dá)到工程應(yīng)用級的國產(chǎn)DFT軟件，Hylanemos的突破不僅在于技術(shù)工具的替代，更標(biāo)志著我國在計(jì)算材料學(xué)領(lǐng)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(shí)現(xiàn)新型工業(yè)化具有重要意義。相關(guān)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(jì)算軟件是材料科學(xué)、化學(xué)、物理等領(lǐng)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(jié)構(gòu)、能量狀態(tài)和物理化學(xué)性質(zhì)，從而避免大量試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)，提高研發(fā)效率，縮短新材料研發(fā)周期。然而，我國在該領(lǐng)域長期依賴VASP、Quantum Espresso（QE）等國外軟件，面臨技術(shù)封鎖風(fēng)險(xiǎn)、高昂授權(quán)費(fèi)用及復(fù)雜操作門檻等多重制約，嚴(yán)重掣肘本土科研創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)安全。
研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的 Hylanemos 計(jì)算軟件在底層架構(gòu)、計(jì)算性能和功能模塊等方面均取得了重要進(jìn)展和顯著突破，具體表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：
1. 底層架構(gòu)創(chuàng)新。
通過分層解耦架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算任務(wù)的分層式流程優(yōu)化。各層通過標(biāo)準(zhǔn)化接口交互，避免了傳統(tǒng)軟件依賴狀態(tài)跳轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法的冗余設(shè)計(jì)，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(jì)算，無須依賴VTST、VaspSol等第三方庫，大幅降低了部署復(fù)雜度。
圖1. Hylanemos的分層式程序框架設(shè)計(jì)
2. 計(jì)算性能領(lǐng)先。
Hylanemos充分發(fā)揮了Julia語言的優(yōu)勢特性。在48/96個(gè)原子的LiCoO2體系測試中，展現(xiàn)出優(yōu)于VASP和QE的計(jì)算速度；在300個(gè)原子的較大體系計(jì)算中，仍保持卓越的性能表現(xiàn)，驗(yàn)證了軟件的高效并行計(jì)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(jì)算中的截?cái)嗄軓?span lang="EN-US">24 Ha降至18 Ha，在保持精度的同時(shí)減少了30%的計(jì)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(jìn)行跨平臺對比驗(yàn)證，Hylanemos在能帶結(jié)構(gòu)、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(dāng)?shù)木取Ｍ瑫r(shí)，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(kuò)展，進(jìn)一步提升功能覆蓋范圍、計(jì)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(jì)算軟件的創(chuàng)新代表，Hylanemos將繼續(xù)肩負(fù)“順時(shí)代之勢、應(yīng)國家之需、答產(chǎn)業(yè)之盼”的使命擔(dān)當(dāng)，圍繞技術(shù)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(gòu)建具有全球競爭力的計(jì)算材料學(xué)生態(tài)系統(tǒng)。該平臺將努力成為連接學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的“數(shù)字橋梁”，推動我國從“實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)主導(dǎo)”向“計(jì)算驅(qū)動創(chuàng)新”轉(zhuǎn)型，促進(jìn)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(biāo)下的能源技術(shù)突破與高端制造升級提供核心算法支撐。
新材料學(xué)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(xué)基金數(shù)學(xué)天元重點(diǎn)專項(xiàng)和北大深研院-屹艮科技電池材料仿真聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的支持。
論文鏈接：
https://www.sciengine.com/SCTS/doi/10.1007/s11431-025-2974-2
