大规模实用化量子化学计算曙光显现，ByteDance Research开源工具集ByteQC

AIGC动态20小时前发布 almosthuman2014

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大规模实用化量子化学计算曙光显现，ByteDance Research开源工具集ByteQC

文章摘要

大规模量子化学计算长期以来面临计算资源需求高、复杂度指数级增长的挑战，尤其是在材料、制药和催化等领域，精确模拟真实化学体系一直是一个难点。为了解决这一问题，字节跳动 ByteDance Research 团队开发并开源了 ByteQC，这是一个基于 GPU 加速的大规模量子化学计算工具集。该工具集通过利用现代 GPU 的强大算力，显著加速了多种标准量子化学算法，并结合量子嵌入方法，实现了在「黄金标准」精度下的大规模体系模拟。

在硬件层面，ByteQC 在现代 GPU 上高效实现了多种量子化学算法，包括平均场计算（如 Hartree-Fock 方法和密度泛函理论）以及后 Hartree-Fock 方法（如 Møller-Plesset 微扰理论、随机相位近似、耦合簇方法和量子蒙特卡洛方法）。这些算法的 GPU 化不仅提高了计算速度，还扩展了可计算的体系规模。在算法层面，ByteQC 引入了一种量子嵌入方法，能够在保持高精度的同时，显著提升计算效率。

为了克服 GPU 显存有限和复杂逻辑难以高效实现的问题，ByteQC 在开发过程中采用了多种优化策略。首先，团队引入了 NVIDIA 提供的高效张量计算库 cuTENSR/cuTENSORMG，用于高效处理张量缩并操作，并在最小显存占用下完成计算。其次，团队通过动态 warp 特例化实现了高效的动态生产者-消费者模型，解决了周期性体系屏蔽计算中的复杂逻辑问题。此外，团队还优化了缓存使用，并通过 CUDA kernel 实现了原位操作，进一步减少了显存需求。

基准测试结果表明，ByteQC 在单 A100 GPU 上相比 100 核 CPU 实现了最高 60 倍的加速，大多数模块在多卡环境下也能达到线性加速。具体而言，ByteQC 能够处理的体系规模显著提升，例如耦合簇单、双激发（CCSD）可支持 1,610 轨道，带微扰三重激发（CCSD (T)）可支持 1,380 轨道，二阶 Møller-Plesset 微扰理论（MP2）可支持 11,040 轨道，而开放边界条件下的平均场计算可支持 37,120 轨道，周期边界条件下的平均场计算甚至可支持超过 100,000 轨道。此外，结合量子嵌入功能，ByteQC 在 2,753 轨道的水团簇问题和 3,929 轨道的氮化硼表面水吸附问题上均实现了 CCSD (T) 水平的「黄金标准」精度计算。

ByteQC 的成功开发不仅解决了 GPU 在量子化学计算中的显存和复杂逻辑问题，还通过量子嵌入方法实现了更大规模体系的高精度计算。这一工具集的开源有望推动量子化学领域的发展，为材料、制药和催化等领域的科学研究提供强有力的支持。