给基础科学配杆枪

9年前，到日本东京大学攻读材料科学博士学位后，又转战到美国犹他大学当起了材料科学与工程系研究助理教授，半年前才回国的吕广宏，走进北航理学院的第一件事情就是要“招兵买马搞几条枪”。

现在仅仅学好数理化，已经很难顺畅地走遍天下了，计算机技术正在成为数理化研究中的必须。吕广宏急着要买的必备武器就是高性能计算机，因为他所从事的计算物理/计算材料学的研究，就是物理学、材料科学、数学和计算机科学多个学科相结合的产物，它是物理和材料研究中的“计算机实验”。

用吕广宏的话说，高性能计算机之于计算物理/计算材料学，就如同士兵需要武器，医生需要手术刀。

没有枪没有炮就要从头造

既然是必备，也就不难理解2006年7月吕广宏一回国就开始筹措资金、购置武器紧迫行动的动因了。虽然计算材料学早已经存在，但这门近20年才发展起来的边缘学科在我国整体发展较弱，1997年才建院的北航理学院也刚刚起步，吕广宏需要白手起家。9月，在学校、学院以及国家科研项目的支持下，吕广宏拿着有限的资金，计划从小规模“武器装备”开始着手，先满足目前的项目应用，再逐步扩大。

无疑，最好的办法就是从同行那里了解设备采购和应用的信息。看到中科院某研究所应用的由某国际企业生产的基于英特尔的woodcrest 2.0 CPU的高性能计算机效果不错，想照搬过来，但由于当时woodcrest3.0刚刚推出，价格较高，且性能的提升并不理想，因此吕广宏最终放弃了购买这家企业的高性能计算机的想法，转而开始与更多的厂商直接接触。

正准备向物理、材料学领域扩展高性能应用的曙光公司得到消息，主动上门提供了多种优惠的条件。吕广宏认为，一方面曙光品牌是国内自主知识产权品牌，售后服务等有保障，同时对其高性能计算机的管理软件的应用比较满意，而且北航其他一些单位的高性能计算也采购了曙光的产品，因此他也开始了与曙光的洽谈。

此时，前边那位国际厂商听得消息，不甘心就这样将整个北航的高性能应用送出，也申请了一些对高校研究的赞助资金，希望能够以此在物理和材料领域发展中占有一席。但吕广宏说，由于之前与曙光已经有了深入了解，因此最终还是选用了价值20多万元的曙光天潮高性能计算机机群。

跟基础科学拼到底

设备到位，吕广宏可以放开手脚研究它的计算物理/计算材料学了。一些以前只能在单机上逐点运行的项目，可以拉到高性能计算机上“遛遛”了。

在吕教授负责的自然科学基金“铝合金的结构与性质”的研究中，进行着一种金属拉伸计算机模拟实验。与传统材料研制模式是在少量的数据分析基础上开展大量的试错型实验研究不同，在高性能计算机上则可以通过量子力学的第一原理计算方法对材料进行理论上的模拟拉伸，即所谓的“计算机拉伸试验”来寻找应力应变曲线，这样也极大地提高了计算速度。例如，对铝晶界材料进行计算机拉伸试验，原来用单机需要半年以上的时间，一个点一个点做拉伸实验，应用了高性能计算机后这个时间缩短到了一个月，就可以完成整个应力应变曲线。

高性能计算机的应用不仅加快了基础科学的研究速度，还带来了承接更大项目的机会。拿半导体材料的研究来说，有了高性能计算机的帮助，吕广宏教授就能开展GeSi表面生长的研究，并解决目前半导体微米制作工艺所面临的瓶颈。

目前，半导体制作主要通过光刻的方式，但光刻用的可见光，其波长在400纳米～700纳米左右，如果小于这个范围，光就会发生衍射，无法进行光刻。此时有两种办法，一种是应用电子束或X射线，他们比可见光波长更小，但成本却很高，操作起来也不容易；另一种方法就是自组织/自组装生长。通过Ge在Si表面的生长就属于后一种方法，先是层层生长，然后形成一个小岛，每个岛都是纳米量级的，这个岛就称为量子点，每个量子点将来都可以做成一个纳米量级的半导体器件。通过高性能计算机计算和模拟来研究量子点的形成和稳定性，可以为从下到上置备半导体器件提供理论参考和指导。

争做科研的神枪手

吕广宏说，无论国内还是国外都存在着计算资源不够的问题，大量的计算工作需要排队应用，因此下一步还将再投入50万元到100万元，进行高性能计算机的招标采购。他准备好好利用有限的资金，计划在今明两年，或者增加网络速度，摒弃现在用的千兆网，采用速度更快的Infiniband、Marinet增加通讯速度；或者在同样的千兆网上，增加CPU的个数。

这样的应用扩展也带动了北航内部相关人才的成长。虽然做计算材料学的学生和教师都是以物理学为主，但要做计算材料物理必须了解相关数学和算法、计算机方面的知识，了解Linux、并行计算机原理和应用等。“选择了这个学科必须要这样做。学习从Windows操作平台向Linux的转变。这对学生未来的实验、工作都提供了方便，帮助掌握了新的技能。”

在曙光来培训高性能计算机机群的应用时，吕广宏教授给学生提出了三点要求：一要加强学习、敢于学习、努力学习、持之以恒，这是包括科研工作在内的所有工作成功的基础；二要增加交流，善于交流，例如与计算机、数学等其他领域的老师和同学交流；三要敢于接受新的东西。他形象地举例了自己头一次坐城铁的经历：以前坐公共汽车要坐1个小时，但因为陌生不愿意尝试家门口新开的城铁，直到有一天为了赶时间坐上城铁，只用了35分钟就到了目的地。“从此可见，要敢于尝试新的知识，调整自身的知识结构。”

基础研究带动长远发展

在吕广宏看来，物理学和材料科学研究都是基础及应用基础的工作，一个基础理论的突破会带动一大批新技术的产生和发展，但这一投入并不能短期见效，而是具有长期效应。“基础研究做好了，国家的实力会因此变得更强，美国和日本就是很好的例子，中国需要自主知识产权的东西，仅仅照搬是不能够大步发展的。”

从2000年到2005年，中国科技正在快速发展，科技投入也在逐年加大。从基础研究角度来看，在一些领域已经与国际接轨，发表了一些水平较高的文章。例如，吕广宏教授所专注的，现在还集中在理论基础研究阶段的“GeSi量子点形成与稳定性的研究”，已经在世界物理界知名的《Phisycal review letters》杂志上刊发了文章。此外，在国际科学界公认的两个顶级杂志《自然》和《科学》上，中国科研者的文章越来越多，在自然科学研究领域中国人有了更多的发言权。

吕广宏教授，2001年在日本东京大学获得工学博士学位，并于2003年1月～2006年3月在美国犹他大学材料科学与工程系任博士后研究助理、助理教授等职位。2006年回国后，先后承担国家自然科学基金和国家安全重大基础研究项目等国家科研项目，在金属材料的力学性能和低维半导体材料的形成及稳定性的研究等方面取得了一系列成果，在国内外杂志上发表论文40余篇。现在主要进行的研究方向有高温结构金属间化合物材料的多尺度强韧化设计、核聚变材料辐照损伤以及其失效机制的研究、半岛体量子点形成和稳定性的研究和铝合金结构与性能的研究等。