周悅 海雪 任翠蘭 殷亞茹 商琨琳 雷蕾 懷平,,4

1（上?？萍即髮W(xué) 上海 201210）

2（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800）

3（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

4（中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院 上海 201210）

X射線自由電子激光（X-ray Free-electron Laser，XFEL）峰值亮度比第三代同步輻射光源高8～10個(gè)量級(jí)，脈沖時(shí)間短3～4個(gè)量級(jí)，并且具備非常好的空間相干性和超高準(zhǔn)直性，因此被譽(yù)為第四代光源［1-2］。表1列舉了目前國(guó)際上已建成或在建的主要XFEL裝置。他們可產(chǎn)生光子能量高達(dá)數(shù)十keV的X射線脈沖，飛秒脈沖持續(xù)時(shí)間，因此單脈沖能量可達(dá)幾毫焦耳。XFEL短脈沖和高功率密度的特點(diǎn)，為科學(xué)研究提供了更好的能力，但也會(huì)造成光學(xué)元件薄膜材料的燒蝕、裂痕和剝落等現(xiàn)象，在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致材料的宏觀性能退化，光學(xué)元件的性能降低、服役壽命縮短，進(jìn)而影響到整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性［3］。因此，耐輻照性是XFEL裝置光學(xué)元件材料一個(gè)重要的指標(biāo)，XFEL誘導(dǎo)光學(xué)元件損傷相關(guān)科學(xué)研究也是裝置的研究熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

表1 國(guó)際上主要XFEL裝置Table 1 Main XFEL facilities worldwide

國(guó)際上已經(jīng)進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)研究，探討了光學(xué)元件在XFEL輻照下的損傷現(xiàn)象、損傷閾值，以及材料、激光與損傷之間的關(guān)系。Milov等［4］通過(guò)FLASH對(duì)釕薄膜損傷點(diǎn)進(jìn)行非原位分析，揭示了損傷現(xiàn)象隨著激光入射通量增加的變化情況。Koyama等［5］通過(guò)SACLA多脈沖輻照過(guò)程中X射線反射率退化的原位測(cè)量，評(píng)估了損傷閾值，并觀測(cè)了輻照損傷產(chǎn)生的壓印直徑和坑洞橫截面。20世紀(jì)50年代以來(lái)，各類材料模擬計(jì)算軟件日益成熟，基于分子動(dòng)力學(xué)（Molecular Dynamics，MD）等跨尺度理論模擬計(jì)算方法能夠闡述微觀物理過(guò)程，幫助理解實(shí)驗(yàn)上材料的損傷及光與材料相互作用機(jī)制［6］。Ivanov等［7］在分子動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上耦合雙溫模型，在原子尺度上研究短脈沖激光照射下鎳、金薄膜熔化和損傷的快速非平衡過(guò)程，獲得材料損傷的演化過(guò)程。

在大規(guī)模的模擬計(jì)算過(guò)程中，模擬體系材料種類多、參數(shù)可變空間大，科研人員通常需要手動(dòng)輸入大量重復(fù)命令完成計(jì)算任務(wù)的定義與提交、計(jì)算結(jié)果的檢查與分析。同時(shí)，計(jì)算數(shù)據(jù)面臨著發(fā)現(xiàn)難、訪問(wèn)難、共享難和再利用難的問(wèn)題。利用工作流、數(shù)據(jù)庫(kù)和編程工具可以高效便捷地開(kāi)展材料模擬計(jì)算研究，降低大量計(jì)算任務(wù)執(zhí)行、數(shù)據(jù)管理和計(jì)算過(guò)程控制的復(fù)雜性［8］。Materials Project［9］、AFlow［10-11］等材料研究平臺(tái)利用工作流和數(shù)據(jù)庫(kù)等組件積累了上億條高質(zhì)量數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)被Google DeepMind團(tuán)隊(duì)利用，進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練，預(yù)測(cè)了220萬(wàn)種新晶體［12］；國(guó)內(nèi)的ALKEMIE［13］、MatCloud+［14］支持多尺度、可視化的高通量計(jì)算，并對(duì)模擬數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化管理。然而，當(dāng)前大部分平臺(tái)支持VASP（Vienna Ab-initio Simulation Package）等第一性原理計(jì)算，對(duì)分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算軟件LAMMPS［15］（Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator）的支持相對(duì)較為有限。從研究體系上，對(duì)于激光輻照下材料輻照損傷領(lǐng)域的高通量平臺(tái)較為稀缺。因此，高效便捷地開(kāi)展基于LAMMPS的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究以及科學(xué)管理和利用計(jì)算數(shù)據(jù)成為亟待解決的問(wèn)題。

本文開(kāi)發(fā)了一種自動(dòng)化輻照模擬程序AISL（Automatic Irradiation Simulation based on LAMMPS），成功應(yīng)用于XFEL與光學(xué)器件材料的輻照損傷微觀機(jī)制研究。該程序基于分子動(dòng)力學(xué)材料計(jì)算軟件LAMMPS和科學(xué)工作流工具Fireworks開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了XFEL輻照損傷模擬計(jì)算自動(dòng)化工作流管道，包括高通量計(jì)算任務(wù)的管理和執(zhí)行、模擬計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和計(jì)算結(jié)果的后處理等功能，能夠有效提高XFEL輻照損傷模擬計(jì)算效率，并且為后續(xù)XFEL光學(xué)元件輻照損傷機(jī)理的進(jìn)一步分析和機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 程序整體設(shè)計(jì)

AISL是一個(gè)基于Linux系統(tǒng)，采用Python編程語(yǔ)言編寫的程序，旨在提供高通量分子動(dòng)力學(xué)材料輻照模擬計(jì)算自動(dòng)化管道，實(shí)現(xiàn)XFEL與金屬材料相互作用的數(shù)據(jù)積累。程序采用分層架構(gòu)，包含數(shù)據(jù)層、接口層和應(yīng)用層，框架如圖1所示。數(shù)據(jù)層采用MongoDB的集合（Collection）和分布式文件系統(tǒng)（GridFS）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略。接口層嵌入并行模擬軟件LAMMPS、數(shù)據(jù)庫(kù)MongoDB、工作流Fireworks和可視化軟件Ovito。應(yīng)用層是程序的核心，提供模擬任務(wù)的三大處理模塊，包括任務(wù)模塊、工作流模塊和資源模塊。任務(wù)模塊具備4個(gè)基礎(chǔ)功能：模擬體系構(gòu)建、模擬任務(wù)計(jì)算、模擬數(shù)據(jù)解析存儲(chǔ)以及后處理。通過(guò)工作流模塊的輻照模擬工作流，可以自動(dòng)串聯(lián)任務(wù)模塊中的基礎(chǔ)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)輻照模擬的自動(dòng)化。該軟件層還支持大規(guī)模模擬任務(wù)的批量處理，形成高通量XFEL輻照損傷MD模擬計(jì)算。

圖1 AISL程序框架圖Fig.1 Framework of the AISL program

1.1 核心組件介紹

分子動(dòng)力學(xué)是獲得材料輻照損傷熱力學(xué)規(guī)律和微觀結(jié)構(gòu)演化過(guò)程的有效手段。LAMMPS［15］是由美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件，可以模擬材料的熱傳導(dǎo)、形變、斷裂等行為，研究熱力學(xué)性能；模擬電化學(xué)、催化等反應(yīng)，研究物理化學(xué)過(guò)程；模擬高分子構(gòu)象和運(yùn)動(dòng)，研究高分子材料結(jié)構(gòu)和性能。

Fireworks［16］是Materials Project自主研發(fā)的組件，用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算任務(wù)流程的執(zhí)行和管理。它主要由三個(gè)部分組成：Firetask、Firework和Workflow。Firetask可以由單個(gè)Python函數(shù)或shell腳本構(gòu)成，用于執(zhí)行具體任務(wù)。Firework包含多個(gè)Firetasks，其Spec空間包含引導(dǎo)工作流程所需的所有信息。多個(gè)Fireworks組成一個(gè)Workflow，從而形成完整的工作流。Fireworks之間通過(guò)FWAction存儲(chǔ)和傳遞數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)工作流的協(xié)調(diào)和執(zhí)行。選用Fireworks對(duì)高性能計(jì)算集群上運(yùn)行的高通量計(jì)算工作流進(jìn)行作業(yè)管理，自動(dòng)完成材料結(jié)構(gòu)到性質(zhì)數(shù)據(jù)的計(jì)算。通過(guò)Fireworks提供的GUI（Graphics User Interface）界面，實(shí)現(xiàn)可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控。

MongoDB［17］是由MongoDB Inc公司開(kāi)發(fā)的文檔型數(shù)據(jù)庫(kù)，以BSON（Binary JSON）為數(shù)據(jù)模型，支持高達(dá)PB級(jí)別的數(shù)據(jù)處理需求。同時(shí)其具有良好的擴(kuò)展性，支持分片和集群部署，適合大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。MongoDB以其無(wú)模式的特性而著稱，容許集合沒(méi)有固定的結(jié)構(gòu)，可以包含不同格式和類型的文檔對(duì)象。

1.2 高通量自動(dòng)輻照模擬工作流

工作流模塊提供了便捷的方式，使用并行模擬軟件LAMMPS實(shí)現(xiàn)光學(xué)器件材料在XFEL輻照下的動(dòng)態(tài)過(guò)程計(jì)算。本程序約定遵循如圖2所示的輻照模擬計(jì)算的一般流程：首先進(jìn)行模擬體系的建立，包括設(shè)置模擬環(huán)境、構(gòu)建原子模型、選擇合理的力場(chǎng)，并通過(guò)能量最小化過(guò)程使體系達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。隨后，對(duì)金屬材料進(jìn)行溫度初始化，并在適當(dāng)?shù)南稻C下進(jìn)行弛豫處理。接著，引入激光約束條件，啟動(dòng)體系演化計(jì)算，達(dá)到熱平衡狀態(tài)停止計(jì)算。

圖2 輻照模擬計(jì)算的一般流程圖Fig.2 General flow chart of radiation simulation calculations

LAMMPS模擬過(guò)程涉及參數(shù)種類多樣、可變條件空間大，輸出結(jié)果往往高達(dá)數(shù)百萬(wàn)條，因此從中提取結(jié)構(gòu)演化特征、揭示損傷微觀機(jī)理是一大挑戰(zhàn)。通過(guò)這一工作流（圖3所示），只需要用戶提交預(yù)設(shè)條件數(shù)值（如激光能量密度、脈沖寬度、初始溫度等），程序會(huì)自動(dòng)生成輻照損傷模擬工作流。根據(jù)預(yù)設(shè)條件的不同，產(chǎn)生多個(gè)模擬任務(wù)。每個(gè)模擬任務(wù)會(huì)按照預(yù)設(shè)條件生成模擬文件集，包括輸入文件、雙溫模型（Two-Temperature Model，TTM）初始格點(diǎn)溫度文件和參數(shù)文件。自動(dòng)生成的模擬任務(wù)將根據(jù)配置的計(jì)算資源在高性能計(jì)算集群上運(yùn)行LAMMPS。完成計(jì)算后，基于這些原始數(shù)據(jù)，程序可以展示原子軌跡的動(dòng)態(tài)圖，繪制電子溫度和晶格溫度演化圖。原子坐標(biāo)、體系熱力學(xué)信息和日志文件等原始計(jì)算數(shù)據(jù)將被自動(dòng)解析并存儲(chǔ)到輻照模擬數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖3 高通量自動(dòng)化輻照模擬工作流Fig.3 Workflow of high-throughput automated irradiation simulation

此外，本程序還提供了高通量模擬工作流的作業(yè)跟蹤和監(jiān)管功能，通過(guò)Fireworks內(nèi)置的GUI界面，實(shí)時(shí)監(jiān)控輻照模擬計(jì)算任務(wù)的狀態(tài)，如“等待中”（READY）、“運(yùn)行中”（RUNNING）、“已完成”（COMPLETED）以及“失敗”（FIZZLED）等。同時(shí)提供詳細(xì)的任務(wù)執(zhí)行記錄，并支持失敗任務(wù)或子任務(wù)重啟運(yùn)行。

1.3 輻照損傷模擬數(shù)據(jù)庫(kù)

在高通量計(jì)算的場(chǎng)景下，材料數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)松散、數(shù)量高達(dá)百萬(wàn)且事務(wù)性要求不高，因此選擇非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MongoDB來(lái)管理輻照損傷模擬數(shù)據(jù)。材料輻照損傷數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)參考了2019年發(fā)布的全球首個(gè)材料基因工程數(shù)據(jù)通則標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)家材料科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)中材料計(jì)算數(shù)據(jù)的描述規(guī)范［18-19］。該數(shù)據(jù)庫(kù)包括三大類：輻照損傷元數(shù)據(jù)、工作流信息數(shù)據(jù)以及原始文件數(shù)據(jù)，詳細(xì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。其中，輻照損傷元數(shù)據(jù)由自動(dòng)生成的唯一ID（id）、LAMMPS模擬軟件（simulation_software）、作業(yè)資源（job_info）、輻照模擬輸入（input）、輻照模擬輸出（output）等數(shù)據(jù)模塊組成。材料輻照損傷元數(shù)據(jù)將對(duì)輻照模擬參數(shù)進(jìn)行規(guī)范定義：材料基本參數(shù)（material_basic_information），如材料種類、薄膜厚度、原子質(zhì)量、熔點(diǎn)、晶格結(jié)構(gòu)；激光參數(shù)（laser_parameters），如脈沖能量、波長(zhǎng)、脈寬、入射角；TTM參數(shù)（TTM_parameters），如格點(diǎn)初始溫度、電子熱容、電聲子耦合系數(shù)等；模擬參數(shù)（simulation_parameters），如周期性邊界條件、勢(shì)函數(shù)類型、能量最小化條件；模擬計(jì)算產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)（log）和后處理數(shù)據(jù)（dump），包括溫度演化數(shù)據(jù)、壓力演化數(shù)據(jù)、能量演化數(shù)據(jù)、原子坐標(biāo)等。工作流信息數(shù)據(jù)詳細(xì)記錄了每個(gè)工作流及子任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)、序號(hào)和名稱等關(guān)鍵信息，同時(shí)還包括每個(gè)流程的輸入和輸出數(shù)據(jù)。材料模擬產(chǎn)生的原始文件和圖片存儲(chǔ)于MongoDB的分布式文件系統(tǒng)GridFS中。

圖4 輻照損傷模擬數(shù)據(jù)庫(kù)模型Fig.4 Database model for radiation damage simulation

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 XFEL光學(xué)元件輻照損傷模擬

在XFEL裝置的強(qiáng)輻照環(huán)境下，K-B鏡、波帶片、單色器、布拉格反射鏡等光學(xué)元件必須采用耐輻照材料，如低Z材料C、SiC和B4C等［20］，具有高反射率和高損傷閾值的優(yōu)點(diǎn)，適用于真空窗口和束流閘；或高Z涂層材料銠Rh、金Au、釕Ru、鎳Ni等［21］，具有更大的臨界角，從而在有限空間內(nèi)獲得更大的數(shù)值孔徑。例如在European-XFEL的SPB/SFX設(shè)備中，選用了低Z材料B4C（3～7.5 keV）、高Z材料Ru（7.5～16 keV）［21］。本文開(kāi)發(fā)的軟件可適用于各類光學(xué)元件材料的模擬研究，下文將以金屬材料為例展示其主要功能。

為了克服傳統(tǒng)的經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)無(wú)法計(jì)算電子效應(yīng)的局限性，本文結(jié)合1974年Anisimov等［22］提出的TTM模型，用于研究輻照損傷過(guò)程中電子與晶格能量交換的過(guò)程，解決金屬熱傳導(dǎo)過(guò)程中電子、晶格系統(tǒng)不平衡問(wèn)題，進(jìn)一步使用AISL程序?qū)崿F(xiàn)高通量計(jì)算過(guò)程和數(shù)據(jù)管理。電子溫度和晶格溫度的時(shí)間和空間變化可以通過(guò)一維雙溫?zé)醾鲗?dǎo)方程進(jìn)行描述［22］：

式中：C和K分別為熱容和熱導(dǎo)率；下標(biāo)e和l分別代表電子和晶格系統(tǒng)相應(yīng)物理量；G是電子-晶格耦合系數(shù)；t是時(shí)間；z是材料表面垂直向里的長(zhǎng)度；S（z，t）是激光項(xiàng)。雙溫模型將電子系統(tǒng)與晶格系統(tǒng)看成兩個(gè)分立的準(zhǔn)傅里葉熱傳導(dǎo)系統(tǒng)，并通過(guò)耦合項(xiàng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)的能量交換。

2.2 高通量自動(dòng)輻照模擬測(cè)試

本文為驗(yàn)證AISL程序的功能可用性和高效性，以XFEL輻照金屬薄膜為例進(jìn)行模擬測(cè)試。光學(xué)元件薄膜材料選取金，XFEL激光選取單脈沖，測(cè)試了不同激光能量密度、脈沖寬度下X射線自由電子激光與金的相互作用的演化結(jié)果，模擬體系主要參數(shù)詳見(jiàn)表2。使用AISL程序，可一鍵提交包括15種激光能量密度和11種脈沖寬度在內(nèi)的共計(jì)26種條件的輻照模擬任務(wù)。每個(gè)模擬任務(wù)均包含4個(gè)步驟：模擬體系構(gòu)建、模擬任務(wù)計(jì)算、模擬數(shù)據(jù)解析存儲(chǔ)以及后處理。用戶根據(jù)個(gè)人關(guān)心的時(shí)間段，通過(guò)靈活的演化時(shí)間選取窗口，查看對(duì)應(yīng)的演化圖。通過(guò)Fireworks的GUI界面直觀地監(jiān)控模擬任務(wù)、遠(yuǎn)程跟蹤任務(wù)狀態(tài)、查看任務(wù)工作流的詳情信息，并實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)不同狀態(tài)的工作流總量，詳見(jiàn)圖5。在終端中使用命令，例如lpad pause_fws、lpad add、lpad resume、lpad set_priority，可以分別實(shí)現(xiàn)工作流的取消、添加、重啟以及設(shè)置優(yōu)先級(jí)的操作，從而滿足實(shí)際模擬的需求。

圖5 輻照損傷工作流狀態(tài)的實(shí)時(shí)可視化界面（綠色：已完成，黃色：運(yùn)行中，藍(lán)色：等待中）（彩圖見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)版）Fig.5 Real-time visualization interface of the radiation damage workflow state (Green: COMPLETED , Yellow: RUNNING, Blue:READY) (color online)

表2 XFEL輻照模擬體系主要參數(shù)Table 2 Primary parameters of the XFEL irradiation simulation system

2.3 輻照模擬結(jié)果

針對(duì)以上不同模擬任務(wù)的結(jié)果，經(jīng)過(guò)后處理模塊繪制了在不同激光能量密度、脈沖寬度下的金材料電子-晶格溫度演化圖，分別如圖6～7所示。其中實(shí)線表示電子溫度，虛線表示晶格溫度。插圖描述了激光加載初期電子溫度躍變細(xì)節(jié)。在單個(gè)模擬過(guò)程中，電子吸收激光能量進(jìn)行熱傳導(dǎo)，通過(guò)電聲子耦合項(xiàng)實(shí)現(xiàn)電子和晶格之間的能量交換。由于電子溫度下降，晶格溫度則相應(yīng)升高。最終，體系在數(shù)十皮秒的時(shí)間尺度內(nèi)實(shí)現(xiàn)了熱平衡，其溫度明顯高于初始溫度水平。AISL程序的模擬結(jié)果和變化趨勢(shì)與Mo等實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致［24］。

圖6 在脈沖寬度為0.13 ps、不同激光能量密度的飛秒激光加載下，金膜的電子-晶格溫度演化（彩圖見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)版）Fig.6 Evolution of electron-lattice temperature in the gold film depicted under femtosecond laser loading with a pulse width of 0.13 ps and various laser energies (color online)

圖7 在激光能量密度為0.18 MJ·kg-1、不同脈沖寬度的激光加載下，金膜的電子-晶格溫度演化（彩圖見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)版）Fig.7 Evolution of electron-lattice temperature in the gold film depicted under laser loading with a laser energy density of 0.18 MJ·kg-1 and various pulse widths (color online)

圖8展示了隨著激光能量密度增加，金膜的最大電子溫度、電子-晶格平衡溫度以及電子-晶格溫度耦合時(shí)間均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，達(dá)到最大電子溫度的時(shí)間增加趨勢(shì)緩慢。激光能量密度的提高導(dǎo)致電子吸收更多的能量，從而使最大電子溫度升至更高的水平。隨著更多能量傳遞給晶格，電子和晶格之間的能量耦合需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)完成。最終，系統(tǒng)在達(dá)到平衡后的溫度也相應(yīng)上升。

圖8 不同激光能量密度的飛秒激光加載下，金膜的最大電子溫度和達(dá)到最大電子溫度的時(shí)間(a)、電子-晶格平衡溫度和耦合時(shí)間(b)Fig.8 Under femtosecond laser loading at various laser energies, the maximum electron temperature (Temax) and time to reach Temax (a), and the electron-lattice equilibrium temperature and coupling time (b)

圖9 展示了隨著脈沖寬度增加，電子溫度達(dá)到的最大值減小、時(shí)間越長(zhǎng)，電子-晶格平衡溫度變化不顯著，電子-晶格溫度耦合時(shí)間增加趨勢(shì)較為緩慢。激光脈沖寬度的減小會(huì)導(dǎo)致電子在短時(shí)間內(nèi)吸收更多能量，從而使電子溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速達(dá)到峰值，整體溫度的升高和達(dá)到平衡會(huì)加快。

圖9 不同脈沖寬度的激光加載下，金膜的最大電子溫度和達(dá)到最大電子溫度的時(shí)間(a)、電子-晶格平衡溫度和耦合時(shí)間(b)Fig.9 Under laser loading at various pulse widths, the maximum electron temperature (Temax), and time to reach Temax (a), the electronlattice equilibrium temperature and coupling time (b)

AISL程序成功實(shí)現(xiàn)了通過(guò)交互式輸入方式創(chuàng)建和提交多條件的輻照模擬任務(wù)。在單個(gè)模擬計(jì)算中，僅需1 s即可對(duì)數(shù)十萬(wàn)條電子和晶格溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析繪圖。同時(shí)將數(shù)據(jù)解析、存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)也只需1 s。相對(duì)于傳統(tǒng)手動(dòng)建立輸入文件和進(jìn)行處理分析所需的時(shí)間，這些時(shí)間可以忽略不計(jì)。數(shù)據(jù)庫(kù)按照預(yù)設(shè)模型進(jìn)行清晰而完整地記錄，無(wú)須用戶參與，符合科學(xué)數(shù)據(jù)的FAIR（Findable，Accessible，Interoperable，Reusable）原則。規(guī)整的模擬數(shù)據(jù)可直接用于基于機(jī)器學(xué)習(xí)的材料挖掘，避免了繁瑣的數(shù)據(jù)清洗和預(yù)處理步驟。這證實(shí)了程序的可用性和高效性，使得進(jìn)行輻照模擬研究變得更加便捷。在計(jì)算資源、存儲(chǔ)空間不受限制的情況下，該程序具備執(zhí)行上千個(gè)模擬任務(wù)的能力。

3 可靠性設(shè)計(jì)及測(cè)試

依托于GitLab倉(cāng)庫(kù)管理平臺(tái)對(duì)程序進(jìn)行軟件備份和版本控制，并且實(shí)現(xiàn)了快速部署功能。輻照損傷模擬數(shù)據(jù)庫(kù)采用三節(jié)點(diǎn)分布式部署方案，搭建“一主一副本一仲裁”副本集，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)服務(wù)器之間異步同步，提供高可用能力。

架構(gòu)部署如圖10所示，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障、硬件磁盤損壞或者其他原因造成主服務(wù)器宕機(jī)時(shí)，無(wú)須人為干預(yù)，自動(dòng)切換備份服務(wù)器作為主服務(wù)器工作，實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)恢復(fù)功能。將副本服務(wù)器設(shè)為只讀，分流讀請(qǐng)求至副本，實(shí)現(xiàn)讀寫分離，提升讀取性能和負(fù)載能力。同時(shí)，對(duì)副本集進(jìn)行安全認(rèn)證配置，要求客戶端在連接到副本集時(shí)需進(jìn)行身份驗(yàn)證，以確保數(shù)據(jù)的安全性。經(jīng)各節(jié)點(diǎn)故障模擬測(cè)試表明，系統(tǒng)具有良好的自動(dòng)故障恢復(fù)能力。

圖10 三節(jié)點(diǎn)高可用架構(gòu)部署圖Fig.10 Schematic of three-node high-availability architecture deployment

4 結(jié)語(yǔ)

本文提供了一種基于Python語(yǔ)言的自動(dòng)化輻照模擬程序AISL，以支持采用分子動(dòng)力學(xué)方法開(kāi)展XFEL對(duì)材料的輻照損傷模擬研究。從應(yīng)用結(jié)果來(lái)看，該程序可以滿足科研人員便捷開(kāi)展高通量輻照模擬計(jì)算時(shí)自動(dòng)化提交和管理多個(gè)任務(wù)的需求，能夠顯著提高基于LAMMPS的輻照損傷模擬計(jì)算效率。同時(shí)在此過(guò)程中形成的輻照損傷模擬數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)進(jìn)一步利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和下一代光學(xué)元件材料篩選奠定基礎(chǔ)。

本文已經(jīng)走出探索的第一步。由于光學(xué)器件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、激光參數(shù)和材料種類的多樣性，未來(lái)將進(jìn)一步優(yōu)化完善程序，如適應(yīng)低Z材料模擬，在模擬時(shí)考慮器件的異質(zhì)結(jié)、多層薄膜以及多脈沖激光的影響，提高任務(wù)智能糾錯(cuò)能力，引入更強(qiáng)大的計(jì)算集群等，以實(shí)現(xiàn)更加卓越的使用體驗(yàn)。同時(shí)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整合至輻照損傷數(shù)據(jù)庫(kù)，打造更為綜合和全面的輻照數(shù)據(jù)集。

致謝感謝史武軍副研究員在硬件上提供的幫助。

作者貢獻(xiàn)聲明周悅負(fù)責(zé)程序開(kāi)發(fā)、整體測(cè)試和調(diào)試以及論文撰寫和修改；海雪、殷亞茹負(fù)責(zé)輻照損傷研究采用的TTM-MD的LAMMPS模擬程序、模擬體系和相關(guān)參數(shù)的提供，以及程序的自動(dòng)化模擬測(cè)試方案的設(shè)計(jì)指導(dǎo)；任翠蘭負(fù)責(zé)輻照模擬理論指導(dǎo)和論文修改；商琨琳負(fù)責(zé)程序修復(fù)和資源監(jiān)管；雷蕾負(fù)責(zé)技術(shù)研發(fā)、程序設(shè)計(jì)以及論文研究方案的提出與修改；懷平負(fù)責(zé)自動(dòng)化輻照模擬的總體目標(biāo)制定、規(guī)劃和指導(dǎo)，論文修改指導(dǎo)。