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2026-02-27

超算互联网核心节点赋能，材料计算效率再提速

国家超算互联网核心节点已完成超千款应用深度适配，全面覆盖多领域主流计算场景，涵盖分子动力学模拟、工业仿真、材料计算、生物计算、AI for Science 等关键方向，实现计算速度与计算效率双重提升。

超算互联网应用工程师使用材料模拟软件 VASP，对半导体光催化材料二氧化钛（TiO₂）的电子结构开展了系统研究。结果表明，依托“核心节点”的强大算力，能够显著缩短完整科研工作流的总体计算时间，大幅提升材料电子结构计算效率与研究推进速度。

超算互联网应用商城上线的 VASP 各版本软件

聚焦材料电子结构计算

在能源短缺与环境污染日益严峻的当下，光催化技术凭借其绿色、高效的特性，成为解决这两大难题的关键突破口。而二氧化钛（TiO₂）作为经典光催化材料，更是凭借化学稳定性高、成本低、环境友好等优势，在光解水、污染物降解以及 CO₂还原等领域具有广泛应用。

然而，TiO₂ 的光催化效率却受限于带隙宽度、价带/导带态密度分布以及晶体结构等关键因素，如何突破这些瓶颈，成为科研人员关注的焦点。

因此，准确计算 TiO₂ 体系的基态结构、带隙及态密度分布，是光催化机理研究与材料改性设计的重要理论基础。

本研究以半导体光催化材料为研究对象，聚焦其电子结构特征，系统探究电子结构特性与光吸收性能之间的关系。通过精准计算与系统测试，为 TiO₂ 光催化性能的高效提升开辟新路径。

计算体系与物理模型，兼顾真实性与代表性

该研究选取 TiO₂ 锐钛矿相（Anatase）作为代表性光催化材料模型，并构建中等规模超胞体系，以兼顾物理真实性与高性能计算代表性。

体系超胞尺寸为 4×4×1，总原子数为 192 个，包含 64 个 Ti 原子和 128 个 O 原子。该体系规模能够：

合理表征块体 TiO₂ 的电子结构特征；
为后续引入缺陷、掺杂或表面模型提供可扩展基础；
同时具备较高计算负载，适合作为高性能计算平台的代表性测试案例。

三大核心计算任务

围绕光催化性能评估与带隙分析，该研究设置了三大核心计算任务：

1. 结构优化：结构优化的目标是获得体系的稳定几何构型，消除超胞构建与初始结构引入的应力与局域畸变；为后续电子结构与带隙计算提供可靠的几何基础。其研究意义在于，准确的结构是可靠带隙与态密度计算的前提，而且优化过程可反映材料内部原子重排对电子结构的影响，为后续研究提供重要参考。

2. 静态自洽计算：在优化后的稳定结构基础上，科研团队开展了静态自洽计算（SCF），目的是获得高精度自洽电子密度，精确计算体系总能量与费米能级。为态密度与带隙分析提供高质量电子结构基态。这一步可以得到可靠的基态电子密度，为带隙、态密度、投影态密度（PDOS）等分析提供基础。

3. 态密度与带隙分析：研究人员在高 K 点密度下计算总态密度（DOS）和投影态密度（PDOS）；并分析了价带顶（VBM）与导带底（CBM）位置；提取体系带隙大小，用于光催化性能评估。带隙大小直接决定材料对可见光的响应能力，DOS 分布可分析 Ti-3d 与 O-2p 轨道对带边态的贡献，为后续掺杂、缺陷调控带隙提供基准对照。

计算参数与物理合理性

为了保证在不同硬件平台（A800、核心节点）下结果的物理可比性，该研究采用统一、物理合理的计算参数。

结构优化和 SCF 计算采用 4×4×3 的 K 点网格，DOS 计算则选用 8×8×6 的 K 点网格以提高态密度分辨率；平面波截断能量设定为 450 eV，能量收敛精度控制在 1×10⁻⁵～1×10⁻⁶ eV，力收敛准则（优化）为 0.01 eV/Å，同时开启自旋极化（ISPIN=2）。

测试方法与指标

有了完善的计算体系和计算参数，接下来通过测试验证不同硬件平台的性能。

测试基于 VASP 软件开展，超算互联网提供了开箱即用的多版本预编译 VASP，本次实操选取 VASP.6.4.2-GPU 版本与 VASP.6.4.2-BW 版本。

研究保持 POSCAR/INCAR/POTCAR/KPOINTS 完全一致，在 A800、核心节点上运行结构优化（OPT）、静态自洽（SCF）和静态非自洽（DOS）任务，并重点关注电子步平均耗时（s/electronic step）和离子步平均耗时（s/ionic step）两个关键指标 —— 前者反映电子结构计算核心性能，后者则体现结构优化中电子+离子耦合计算性能。

测试结果对比

结构优化（OPT）任务

结构优化任务同时包含电子结构求解与离子弛豫过程，是反映平台综合性能的重要测试场景。