計算機行業(yè)專題：踏雪覓徑：探索材料軟件的自主可控之路

請仔細閱讀本報告末頁聲明Page1/22報告要點材料軟件分為材料發(fā)現(xiàn)軟件和材料計算軟件，前者對應(yīng)“預(yù)測”，后者對應(yīng)“仿真”。材料研發(fā)流程是“預(yù)測-驗證”。在預(yù)測階段，材料發(fā)現(xiàn)軟件通過大數(shù)據(jù)和機器學習，找到材料成分、結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)之間關(guān)系的規(guī)律，由期望的性能參數(shù)，得到材料的預(yù)測列表。在驗證階段，材料計算軟件通過初始材料和環(huán)境的數(shù)據(jù)計算出最終的性能參數(shù)，實現(xiàn)“模擬實驗”。材料軟件能降本增效。傳統(tǒng)的材料研發(fā)是“試錯法”，費時費力，新材料從研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用大約需要10-20年。根據(jù)美國材料基因組計劃的報告，若應(yīng)用先進的ICME研發(fā)模式和材料軟件，能節(jié)省一半傳統(tǒng)研發(fā)時間。材料軟件開發(fā)難度大。材料發(fā)現(xiàn)軟件的核心是大數(shù)據(jù)和機器學習技術(shù)，有限的數(shù)據(jù)、昂貴的算力和算法的局限性是其發(fā)展的限制。材料計算軟件發(fā)展較為成熟，核心是將不同場景的計算方法轉(zhuǎn)化為代碼，形成不同計算模塊，發(fā)展的難點在于多尺度計算的融合。全球：材料軟件發(fā)展成熟，市場天花板不高。材料發(fā)現(xiàn)軟件多創(chuàng)新企業(yè)，Citrine是領(lǐng)先者；材料計算軟件市場基本被傳統(tǒng)工業(yè)軟件巨頭公司壟斷，如達索的MaterialStudio、新思的QuantumATK，“小而美”的公司在細分領(lǐng)域有一定地位。同時，國外材料軟件的商業(yè)價值不高：MaterialStudio的母公司Accelry，2014年被達索收購的金額約為7.5億美元，商譽為4.5億美元；2023年材料發(fā)現(xiàn)軟件公司CitrineInformatics估值約僅不到1億美元。國內(nèi)材料軟件公司與國際存在差距。我國企業(yè)材料研發(fā)數(shù)字化程度低，尚未開始使用材料發(fā)現(xiàn)軟件，材料計算軟件滲透率低，市占率最高的是MaterialStudio。國內(nèi)產(chǎn)品在計算場景、計算方法和數(shù)據(jù)庫的豐富程度上和國外仍有差距。目前MaterialStudio對我國軍方禁用，對我國新材料產(chǎn)業(yè)的自主可控產(chǎn)生了不利影響。材料軟件作為新材料產(chǎn)業(yè)必不可少的效率工具，如何實現(xiàn)自主可控？材料軟件的開發(fā)難度大，材料軟件的商業(yè)價值不高，很難完全依靠市場化的方式實現(xiàn)材料軟件的自主可控，可能需要非市場化的方式推動國產(chǎn)材料軟件的發(fā)風險提示：1、材料計算、AI、算力等行業(yè)發(fā)展不及預(yù)期；2、國產(chǎn)化進程不及預(yù)期；3、第三方數(shù)據(jù)有失真實性。計算機分析師孫亮登記編碼：S0950524040001聯(lián)系人王何夢雅：wanghemengya@行業(yè)表現(xiàn)2024/7/17 計算機滬深300資料來源：Wind，聚源相關(guān)研究算機請仔細閱讀本報告末頁聲明Page2/22內(nèi)容目錄 4 2、有限的數(shù)據(jù)、昂貴的算力和算法的局限性，是材料 3、材料計算軟件產(chǎn)品成熟，將不同場景的計算模塊化是 12 13 14 15 15附錄4、以史鑒今：“人”“數(shù)據(jù)”“工具”的互 17 20圖表目錄 5 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 9算機請仔細閱讀本報告末頁聲明Page3/22 9 10 10 10 10 11 11 11 11 12 15 16 17 18 20 20算機請仔細閱讀本報告末頁聲明Page4/22一、什么是材料軟件？材料軟件是能幫助材料研發(fā)的軟件，分為在預(yù)測環(huán)節(jié)起作用的材料發(fā)現(xiàn)軟件，和在驗證環(huán)節(jié)起作用的材料計算軟件。材料研發(fā)流程是“預(yù)測-驗證”的過程。首先構(gòu)建材料結(jié)構(gòu)的預(yù)測池，然后通過實驗或者計算機模擬的驗證對應(yīng)的性能，進而篩選、修改最初的預(yù)測。材料傳統(tǒng)的研發(fā)方式是“試錯法”，費時費力。傳統(tǒng)研發(fā)方式在預(yù)測環(huán)節(jié)中依賴總結(jié)文獻、專家經(jīng)驗，用類似“煉金術(shù)”的方式，列出多種材料組合，在驗證環(huán)節(jié)制造出樣本，進行人工實驗驗證，再根據(jù)結(jié)果修改預(yù)測池或者重新設(shè)計材料結(jié)構(gòu)，循環(huán)往復(fù)，如“大海撈針”，消耗時間巨大，并且有些實驗條件苛刻，難以實施。比如為了滿足高強度、耐高溫等特性，需要找到A金屬在B基金屬中最佳比例（0-10%那么需要以0.5%為間隔，燒制0-10%含量的20個樣品，進行測試對比，縮小比例范圍，細化間隔，如以0.1%為間隔制作5%-7%的20個樣本，再進行測試對比。如果是多元合金的制造，那么時間和成本將會成倍增加，十分費時費力費錢。利用數(shù)字化的研發(fā)方式，可以降本增效。進入數(shù)字化時代后，模擬階段的材料計算軟件逐漸報告，按照傳統(tǒng)的研發(fā)方式，新材料從發(fā)現(xiàn)到工業(yè)化應(yīng)用大約需要10-20年的時間，而先進材料則需要20年甚至更長的時間，結(jié)合先進的集成材料計算工程（ICME）的研發(fā)方法，可以節(jié)省約一半的時間。比如在上一段的例子中，可以通過材料計算軟件模擬得出A金屬不同比例下、B基金屬的性質(zhì)，接著只需要在最佳范圍5%-7%內(nèi)進行驗證，省去了一半的時間和在預(yù)測階段，利用材料發(fā)現(xiàn)軟件輔助總結(jié)經(jīng)驗。在構(gòu)建預(yù)測池的過程中，材料發(fā)現(xiàn)軟件通過AI總結(jié)出材料結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)之間的關(guān)系，由期望的性能參數(shù)得出可能的結(jié)構(gòu)列表。根據(jù)材料發(fā)現(xiàn)公司Citirine官網(wǎng)，材料公司HRL使用Citrine軟件平臺將開發(fā)時間從數(shù)年縮短到數(shù)天。在滿足某個熱性能的化合物發(fā)現(xiàn)案例中，在5個月的時間完成了超過了2500種新型聚合物的熱性能預(yù)測，并且篩選出最可能的10種，省去了制造其余2490種聚合物的制造和驗在驗證環(huán)節(jié)，利用材料計算軟件“模擬實驗”。在驗證環(huán)節(jié)中，材料計算軟件對初始條件進行建模（設(shè)置環(huán)境和材料結(jié)果的參數(shù)通過計算機程序求解一系列物理方程或本構(gòu)模型，進而得到預(yù)測的性能參數(shù)。材料計算軟件能通過“虛擬篩選”，最大限度地減少物理實驗的數(shù)量。比如在設(shè)計某種高強度汽車外殼的時候，如果完全依賴于傳統(tǒng)的實驗方法，需要將每個預(yù)測的材料都制造出樣本再進行碰撞實驗，如果能用材料計算軟件篩選出最理性的列表，減少“實際制造樣品-實驗”的流程，就能大大降低成本和時間。算機請仔細閱讀本報告末頁聲明Page5/22資料來源：機器學習在材料服役性能預(yù)測中的應(yīng)用，五礦證券研究所在材料發(fā)現(xiàn)階段，材料發(fā)現(xiàn)軟件利用大數(shù)據(jù)和機器學習找到材料微觀成分、結(jié)構(gòu)和宏觀性能之間的關(guān)系，進而構(gòu)建預(yù)測池，可以提高人工構(gòu)建預(yù)測池效率，降低成本。材料發(fā)現(xiàn)軟件的難點在于有限的數(shù)據(jù)、高昂的算力和算法的局限性。1、大數(shù)據(jù)和機器學習是材料發(fā)現(xiàn)軟件的核心材料發(fā)現(xiàn)軟件的基礎(chǔ)是大數(shù)據(jù)和機器學習。材料發(fā)現(xiàn)軟件的原理是：通過大數(shù)據(jù)和機器學習技術(shù)，分析材料微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能之間的關(guān)系，找到規(guī)律，來預(yù)測最符合目標要求的材料。圖表2：材料發(fā)現(xiàn)軟件Citrine工作原理資料來源：CitrineInformatics,五礦證券研究所資料來源：Matminer，五礦證券研究所AI+材料可助力材料發(fā)現(xiàn)。如：美國加州大學圣地亞哥分校工程學院的納米工程師開發(fā)的AI算法M3GNet，可幾乎即時地預(yù)測任何材料（無論是現(xiàn)有材料還是新材料）的結(jié)構(gòu)和動態(tài)特性。GoogleDeepMind推出的材料發(fā)現(xiàn)工具GNoME將材料發(fā)現(xiàn)的效率提升了一個數(shù)量級，其材料團隊發(fā)現(xiàn)了220萬顆新晶體，相當于近800年的知識。配方型材料發(fā)現(xiàn)有望先行一步。設(shè)計材料，最基本的是設(shè)計成分和結(jié)構(gòu)。成分數(shù)量和最佳比例可以用“遍歷羅列”的形式來找到，計算機更能勝任這種重復(fù)性的試驗工作。結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，一個分子中兩個原子的相對位置、結(jié)合方式，一個分子團中分子的數(shù)量、構(gòu)成方式等等眾多三維要素都能夠改變材料的性質(zhì)，因此相對結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，成分設(shè)計更加機械。配方型材料在海外很成熟，在中國也是一個很重要的方向，很多化工材料是標準的復(fù)合材料過程，算機請仔細閱讀本報告末頁聲明Page6/22對配方的依賴性非常強。如果有效的去對單一公司的配方數(shù)據(jù)、反應(yīng)流程、性質(zhì)等進行收集，并在這個基礎(chǔ)上不停的進行預(yù)測和優(yōu)化，對企業(yè)研發(fā)大量的新配方會起到非常重要的作用。比如巴斯夫、陶氏化學等公司早已有之。2、有限的數(shù)據(jù)、昂貴的算力和算法的局限性，是材料發(fā)現(xiàn)階段的限制數(shù)據(jù)是材料發(fā)現(xiàn)軟件發(fā)展中最大的掣肘，算力、算法也限制了性能推導(dǎo)結(jié)構(gòu)的過程。①數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)的可獲得性，真實性以及精準性問題制約材料數(shù)據(jù)庫發(fā)展機器學習首先依賴的是海量、真實、精準的數(shù)據(jù)。材料發(fā)現(xiàn)軟件本質(zhì)是利用機器學習，找到數(shù)據(jù)庫中材料結(jié)構(gòu)和性能數(shù)據(jù)之間對應(yīng)的關(guān)系，由想要的“性能”，構(gòu)建“預(yù)測池”，因此數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量是關(guān)鍵。打破企業(yè)間數(shù)據(jù)隔閡，建立大容量數(shù)據(jù)庫較為困難。出于商業(yè)的考慮，新材料公司數(shù)據(jù)的保密性都是極高級別的，盡管能通過政策驅(qū)動、商業(yè)合作、購買等方式緩解數(shù)據(jù)鴻溝的問題，但難以完全消除不同企業(yè)間數(shù)據(jù)的隔閡。真實數(shù)據(jù)的問題：公開數(shù)據(jù)的真實性有待考究。有些學術(shù)論文中的數(shù)據(jù)并不真實可靠，學術(shù)論文是公開數(shù)據(jù)的重要組成部分，但學術(shù)論文的數(shù)據(jù)中，部分偏差較大，因此很多情況下企業(yè)對此類數(shù)據(jù)并不信任，而是自行重復(fù)收集，降低了研發(fā)的效率。主流商業(yè)化材料軟件受到廣泛的認同的重要原因也是其可靠的數(shù)據(jù)庫。精準數(shù)據(jù)的問題：不同企業(yè)，研究機構(gòu)之間的數(shù)據(jù)精確度差異較大。微觀層次的實驗數(shù)據(jù)對于實驗設(shè)備的要求非常高，價格昂貴，如一臺真空紫外光譜儀價格高達百萬元以上，極低溫高磁場掃描隧道顯微鏡價格可高達700萬元以上。普通的材料企業(yè)難以承受其如此高昂的成本，不同企業(yè)，研究機構(gòu)之間數(shù)據(jù)的精確度參差不齊。②算力：昂貴算力制約材料結(jié)構(gòu)所消耗計算資源要遠高于工藝設(shè)計領(lǐng)域。同樣大小的區(qū)域，微觀尺度需要計算相當大數(shù)量的分子、原子，計算難度要遠遠超過宏觀尺度的有限元計算，所消耗的計算資源更多，材料元素每增加1個，成分組合增加10倍，遠超宏觀尺度計算的復(fù)雜度。解決效率問題的有效手段是高通量計算，成本高昂。高通量計算是高性能計算（HPC）的一種，傳統(tǒng)的高性能計算著重于提高單個計算單元的運行速度，而高通量計算著重于“并行”同時這些計算的數(shù)據(jù)不是規(guī)則的，一般工作流程是先由機器學習生成大量的候選空間，然后利用高通量計算進行篩選。高通量計算機價格昂貴，制約材料發(fā)展軟件的應(yīng)用。圖表4：高通量計算的典型案例1資料來源：Firstprincipleshighthroughputscreeningofoxynitridesforwater-splittingphotocatalysts，五礦證券研究所資料來源：High-throughputcomputational-experimentalscreeningprotocolforthediscoveryofbimetalliccatalysts,五礦證券研究所③算法：機器不會形而上，仍需人腦輔助算機請仔細閱讀本報告末頁聲明Page7/22機器學習本身的“黑匣子性”限制了材料發(fā)現(xiàn)的效率。材料學的機器學習算法相較于其他領(lǐng)域（比如文本）要簡單許多，機器學習本質(zhì)是找到材料微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能之間相關(guān)性的規(guī)律，再根據(jù)規(guī)律去設(shè)計新材料，機器學習如何找到規(guī)律的背后原因是個“黑匣子”，即無法說明二者之間的因果關(guān)系。但有時候因果關(guān)系的準確性、可靠性以及效率要強于簡單的相關(guān)關(guān)系，因此目前人在材料發(fā)現(xiàn)中的作用難以完全被替代。在材料驗證階段，材料計算軟件利用微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬出性能參數(shù)，目前主流的商業(yè)化材料計算軟件都能集成多尺度研究。材料計算軟件已實現(xiàn)不同的尺度算法模塊化，針對不同應(yīng)用場景，選擇搭載的尺度模塊。1、材料計算軟件偏向微觀和介觀尺度的仿真材料的研究尺度分為微觀、介觀、宏觀，材料計算軟件側(cè)重于微觀和介觀尺度的仿真，多使用在功能性材料研究中，比如研究化學反應(yīng)、電子隧穿效應(yīng)等；而傳統(tǒng)的工業(yè)軟件CAE側(cè)重于宏觀尺度的仿真，多使用在結(jié)構(gòu)新材料研究中，比如復(fù)合材料、力學材料。材料的仿真過程是“建模-計算-結(jié)果輸出”。“建?！笨梢岳斫鉃椴牧现械腃AD，設(shè)定材料的成分、結(jié)構(gòu)和服役環(huán)境的參數(shù)，“計算”是計算機根據(jù)初始設(shè)定的條件計算出性能參數(shù)的過程。從宏觀到微觀尺度，研究的對象越小，計算越精確，所耗費的時間與計算資源越大。低一級空間尺度的計算結(jié)果一般可以作為高一級計算過程的輸入，以減少對初始實驗數(shù)據(jù)的依賴，理論上這種方法得到的結(jié)果會更精確。（1）微觀尺度：這個空間尺度研究的是大小在納米級別的原子和電子，他們狀態(tài)和行為通常遵循的運行規(guī)律是量子力學，呈現(xiàn)出波粒二象性。微觀層次重點關(guān)注電子和原子的性質(zhì)、排布及之間的相互作用等，可以用于研究化學反應(yīng)路徑、電磁性能、材料的穩(wěn)定性和（2）介觀尺度：這是介于宏觀和微觀之間的一種狀態(tài)，研究的是大小在納米到毫米級別的粒子，如分子，這個級別的物體具有宏觀大小。宏觀尺度的物體性質(zhì)可以近似為連續(xù)的，在介觀尺度大小的物體，性質(zhì)可能不再連續(xù)連續(xù)，呈現(xiàn)出許多微觀尺度的性質(zhì)。介觀尺度的研究關(guān)注材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和缺陷，比如晶界、相界等。常見的材料計算軟件集成平臺都提供微觀和介觀尺度的計算模塊，如QuantumATK、MaterialStudio。資料來源：QuantumATK,五礦證券研究所資料來源：MaterialStuidio，五礦證券研究所（3）宏觀尺度：宏觀尺度研究的是可見物體的規(guī)律，遵循的是牛頓力學的運行規(guī)律，關(guān)注算機請仔細閱讀本報告末頁聲明Page8/22的是材料或結(jié)構(gòu)的整體行為，如應(yīng)力、變形和疲勞壽命。研究宏觀尺度的基本假設(shè)方法是將物體切割為足夠小的均質(zhì)模型，進而“累加”得到整體的性質(zhì)。需要借助較多的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，所需的計算資源少，精度不高，目前工業(yè)工程設(shè)計上的仿真問題大多是用的是此類方法。在宏觀尺度上的概念中，狹義的材料計算軟件和傳統(tǒng)的工業(yè)軟件的界限已經(jīng)不明晰了。常用的有ANSYS、ABAQUS、COMSOL等傳統(tǒng)的工業(yè)CAE軟件。典型的仿真過程有：宏觀尺度上，用有限元仿真去模擬汽車碰撞試驗、模擬電池枝晶生長的一些宏觀現(xiàn)象。介觀尺度、微觀尺度上，用分子動力學通常能解決在實驗中能觀察到的現(xiàn)象，比如計算得出在某溫度下水分子在某溶液中的有序排布。量子力學通常計算的是原子和電子的性質(zhì)，比如相互作用力、電子能帶等。圖表8：微觀、介觀、宏觀尺度刻畫的時間與長度資料來源：Dassault，五礦證券研究所資料來源：中國教育戰(zhàn)略發(fā)展學會人才發(fā)展專業(yè)委員會，五礦證券研究所2、多尺度計算平臺是大勢所趨，但進展有限材料計算軟件側(cè)重于微觀、介觀，傳統(tǒng)工業(yè)軟件側(cè)重于宏觀，但二者并不割裂。研究微觀、介觀尺度的結(jié)構(gòu)是為了更好地理解并設(shè)計宏觀的性能。例如，研究編織形態(tài)的碳纖維材料，碳纖維粒子的大小、結(jié)構(gòu)，碳纖維的走向和編織方法（單向編織/交叉編織）等都會影響最終形成的碳纖維布的特性。多尺度方法的出現(xiàn)是為了解決單一尺度方法的局限性，比如精度不足、忽略微觀結(jié)構(gòu)對宏觀性能的影響、數(shù)據(jù)有限等。多尺度的材料問題呈現(xiàn)的是：宏觀尺度下，局部不再符合宏觀規(guī)律，必須使用更低維度的介觀、微觀尺度方法來解決。比如，當前居于主導(dǎo)地位的混凝土模型不能夠有效的反映微觀結(jié)構(gòu)對其宏觀性能的影響，混凝土的微觀結(jié)構(gòu)對宏觀性能(強度、尺寸穩(wěn)定性以及耐久性等)有著重要的影響。精度不足的典型例子是相圖計算中加入第一性原理計算結(jié)果，來替代一些難以獲取的實驗數(shù)據(jù)。在研究納米壓痕過程中，在壓頭穿透的前半段，形變較小，適用原子尺度的模擬方法，在壓頭穿透的后半段，形變較大，則適用宏觀尺度的算機請仔細閱讀本報告末頁聲明Page9/22圖表10：什么是多尺度？——以編織為例資料來源：AMultiscaleStudyofCFRPBasedonAsymptoticHomogenizationwithApplicationtoMechanicalAnalysisofCompositePressureVessels，五礦證券研究所資料來源：Digmat,五礦證券研究所但現(xiàn)實情況是，人們對材料的微觀結(jié)構(gòu)、性能與狀態(tài)對宏觀性能影響機制尚不清楚。目前有兩種方式嘗試解決這個問題，一是遞階，即將低尺度的計算結(jié)果輸入高尺度模型，二是并發(fā)，即將區(qū)域分成不同部分，各自使用不同尺度的方法，在交界處連接。多尺度方法自身理論體系缺乏系統(tǒng)性和完整性，這也成為了材料設(shè)計中的重難點。落實到產(chǎn)品上，體現(xiàn)的是不同尺度的軟件，或者同一軟件不同計算模塊之間存在數(shù)據(jù)接口，難以有多尺度融合為一體的產(chǎn)品傳統(tǒng)材料計算軟件是相對獨立的單一尺度、單一計算方式的程序，比如VASP、LAMMPS。隨著工業(yè)時代的發(fā)展，材料的宏觀設(shè)計不能滿足需求，深入到微觀結(jié)構(gòu)或成為突破口，微工業(yè)器件的制造尺度越來越小，材料更多的呈現(xiàn)出介觀、甚至微觀尺度的規(guī)律，比如半導(dǎo)體的先進制程中遇到的量子隧穿效應(yīng)。商業(yè)化的材料計算軟件目前逐步集成多尺度的計算方法。越來越多的傳統(tǒng)CAE軟件巨頭收購了微觀、介觀的計算軟件，材料計算軟件也加入了尺度更大的計算方法，多尺度集成的材料計算軟件成為趨勢。比如EDA軟件巨頭Synopsys收購了微觀尺度建模的QuantumATK，完善其半導(dǎo)體設(shè)計軟件解決方案。傳統(tǒng)分子動力學軟程序LAMMPS加入了介觀建模的接口。MaterialStudio也在原有的微觀尺度基礎(chǔ)上，2008年加入了介觀計算模塊Mesocite。資料來源：Synopsys，五礦證券研究所資料來源：MaterialStudio，五礦證券研究所3、材料計算軟件產(chǎn)品成熟，將不同場景的計算模塊化是核心材料計算軟件發(fā)展較為成熟，核心是將不同場景的計算方法轉(zhuǎn)化為代碼。體現(xiàn)在產(chǎn)品上，是主流的材料計算軟件搭載了針對各類場景、可視化建模-計算一體化的平臺。傳統(tǒng)的材料計算軟件基本上是一段程序，可視化建模和結(jié)果輸出均需要借用其他軟件。比如算機請仔細閱讀本報告末頁聲明Page10/22傳統(tǒng)分子動力學計算軟件LAMMPS只能使用代碼，前期材料微觀結(jié)構(gòu)的建模和結(jié)果的可視化均需要借助其他軟件。資料來源：LAMMPS,五礦證券研究所圖表15：使用可視化軟件ovito對lammps的結(jié)果進行可視化資料來源：ovito，五礦證券研究所目前業(yè)界使用最多的材料計算軟件是MaterialStudio，QuantumATK在電子領(lǐng)域的地位也非常穩(wěn)固。其產(chǎn)品形式大多將“可視化建模-模擬-輸出結(jié)果可視化”的模擬環(huán)節(jié)基本無縫整合進軟件平臺，針對不同場景建立不同的計算模塊。比如MaterialStudio可視化建模模塊是Visualizer，計算吸附能模塊是AbsorptionLocator。圖表16：Visualizer模塊（MaterialStudio）微觀層次建模過程資料來源：MaterialStudio,五礦證券研究所注：MaterialsStudioVisualizer模塊是一個可視化的建模過程，可以通過輸入相關(guān)性質(zhì)的數(shù)值，或直接拖拽進行材料微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計。圖示過程構(gòu)建Ni吸附材料和被吸附物質(zhì)SO2。圖表17：使用QuantumATK進行晶界建模資料來源：QuantumATK，五礦證券研究所注：QuantumATK是一款對材料和器件進行原子級建模和模擬的軟件，具有可視化的界面。晶界是結(jié)構(gòu)相同而取向不同晶粒之間的界面。算機請仔細閱讀本報告末頁聲明圖表18：AbsorptionLocator模塊（MaterialStudio）吸附能計算結(jié)果資料來源：MaterialStudio,五礦證券研究所注：AdsorptionLocator是一款采用蒙特卡洛模擬退火方法搜索吸附質(zhì)在基底材料上最低能量吸附構(gòu)象的程序。圖示結(jié)果表示該種材料Ni原子的吸附能。圖表19：AbsorptionLocator模塊（MaterialStudio）吸附能可視化結(jié)果資料來源：MaterialStudio，五礦證券研究所注：圖示結(jié)果的紅色部分表示SO2可能被Ni原子吸附的位置。國外的材料發(fā)現(xiàn)軟件以創(chuàng)新企業(yè)為主，一類是軟件工具庫，另一類提供數(shù)據(jù)庫在內(nèi)的解決方案。大數(shù)據(jù)和機器學習已經(jīng)在國外得到了普遍接受，目前國外無論是學術(shù)界還是業(yè)界對于AIforscience的新型研發(fā)模式都進入了深入的探索。材料發(fā)現(xiàn)軟件有兩種類型：一是開源的軟件庫，一般由學術(shù)機構(gòu)主導(dǎo)，如Matminer是美國伯克利大學的一款開源Python庫；二是商業(yè)化的機構(gòu)，提供一套包含數(shù)據(jù)庫在內(nèi)的解決方案，易用性好，具備可視化的界面，如CitrineInformatics和MPDS（MaterialsPlatformforDataScience）。資料來源：MDPS,五礦證券研究所資料來源：CitrineInformatics，五礦證券研究所算機請仔細閱讀本報告末頁聲明Page12/22國外市占率最高的商業(yè)化材料計算軟件是MaterialStudio，QuantumATK也有一定的地位。國外除了這兩款軟件之外，還有一些“小而美”的軟件，一些是商業(yè)化機構(gòu)主導(dǎo)，一些是學術(shù)機構(gòu)開發(fā)的，比如COMSOL，QE(QuantumESPRESSO)等。也有免費的產(chǎn)品，如分子動力學產(chǎn)品LAMMPS。（圖表放在段落與段落之間，不要把一段話分割開）MaterialStudio和QuantumATK均被國外傳統(tǒng)工業(yè)軟件巨頭收購。MaterialStudio是Accelry公司旗下一款專注于材料研發(fā)平臺的軟件，2014年達索收購Accelry，后將其業(yè)務(wù)整合進BIOVIA品牌。EDA巨頭新思2017年收購納米材料與電子器件模擬平臺QuantumATK，助力芯片工藝開發(fā)者解決下一代器件研發(fā)，讓制程更快向前推進。材料軟件前期開發(fā)成本高，需要有大產(chǎn)值的領(lǐng)域“喂養(yǎng)”。成本端，材料軟件首先要大量的人力財力將材料學知識轉(zhuǎn)化為程序?qū)崿F(xiàn)，同時需要大量的數(shù)據(jù)和時間去驗證有效性，前期投入的成本大、時間長。收入端，需要有足夠大產(chǎn)值的領(lǐng)域，如半導(dǎo)體、醫(yī)藥，后期收入才能足國外商業(yè)化材料軟件估值不高。典型的是材料計算軟件MaterialStudio，2014年達索收購Accelry，收購金額約為7.5億美元，折合人民幣約為46.8億，商譽為4.5億美元，折合人民幣約為28.1億，而MaterialStudio僅為Accelry的一款產(chǎn)品。2023年材料發(fā)現(xiàn)軟件公司CitrineInformaticsC輪估值約僅1億美元不到。傳統(tǒng)工業(yè)軟件估值更高，因此也導(dǎo)致了國外材料計算軟件領(lǐng)先者的出路是：要么被傳統(tǒng)工業(yè)軟件巨頭所收購，要么做細分領(lǐng)域的“小而美”。相較于工藝環(huán)節(jié)，研發(fā)環(huán)節(jié)整體支出少、研發(fā)人員少，導(dǎo)致材料軟件的市場規(guī)模不大，話語權(quán)弱，因此國外巨頭無一例外是在某一下游產(chǎn)值巨大的工業(yè)軟件領(lǐng)域中站穩(wěn)腳跟，收購不同細分應(yīng)用的公司，再不斷擴張到其他研發(fā)設(shè)計環(huán)節(jié)，形成協(xié)同效應(yīng)。比如MaterialStudio被達索收購，QuantumADK被新思收購，第一性原理軟件VASP、相圖計算軟件Thermocalc在細分領(lǐng)域仍然是領(lǐng)先者，未被收購，但也難綜上，材料軟件市場規(guī)模小，前期投入高，難以通過自身形成極具商業(yè)利潤的公司。我國材料企業(yè)數(shù)字化程度低，基本不使用材料發(fā)現(xiàn)軟件，材料計算軟件滲透率低，國外巨頭市占率高，目前國內(nèi)材料計算軟件大多使用MaterialStudio。此外國內(nèi)逐漸涌現(xiàn)出材料軟件研發(fā)人員沒有使用軟件的習慣。目前我國材料研發(fā)模式存在著如下現(xiàn)狀：①許多材料研發(fā)人員所受的教育，仍是傳統(tǒng)的材料實驗科學的研究方法，②大量中小企業(yè)研發(fā)過程數(shù)字化程度低，還未建立數(shù)據(jù)庫，沒開始使用材料設(shè)計研發(fā)類軟件，③我國大部分制造業(yè)企業(yè)還處于“模仿創(chuàng)新”的階段，對于材料發(fā)現(xiàn)及降本增效的需求不大。因此目前我國材料研發(fā)很少利用材目前國內(nèi)有四家材料軟件公司，分別是深勢科技、邁高科技、龍訊曠騰、鴻之微，與國外公司存在差距。國外材料軟件起步時間早，多個尺度的計算方法齊全，涉及領(lǐng)域、計算場景、數(shù)據(jù)庫、接口豐富。國內(nèi)公司材料軟件公司聚焦于微觀尺度，部分公司初步建立起自己的數(shù)據(jù)庫，在計算場景和計算方法上和國外產(chǎn)品仍有差距。國外材料計算和材料發(fā)現(xiàn)軟件的公司基本是獨立的，而國內(nèi)公司基本上將二者結(jié)合。算機請仔細閱讀本報告末頁聲明Page13/22圖表22：國外主流材料軟件和國內(nèi)情況對比表QuantumATK龍訊曠騰深勢科技邁高科技鴻之微成立時間198920032015201920132014功能-材料發(fā)現(xiàn)√√√√√√-材料模擬√√√√√√√-微觀尺度√√√√√√√-介觀尺度√√××××數(shù)據(jù)庫√有接口√有接口有接口√√可視化√√√√×√√涉及領(lǐng)域聚合物和復(fù)合材料，化學品和催化劑，金屬和合金，半導(dǎo)體，電池和氫燃料電池，電子學，包裝消費品，藥物開發(fā)電池材料仿真，聚合物研究與設(shè)計半導(dǎo)體建模，太陽能電池材料，催化劑模擬，金屬、陶瓷和玻璃電池陶瓷和玻璃，金屬和合金，特種化學品，包裝消費品，消費類電子產(chǎn)品，包裝涂料、膠粘劑、密封劑、彈性體，建材航空航天與國防，汽車，食品和飲料電子結(jié)構(gòu)及聲子計算，光、磁、力學和極化性質(zhì)，電化學，動力學，電子束，計算機器學習，分子動力學非晶合金、多元合金、輕型合金、半導(dǎo)體材料、新能源材料、鋰電池材料、催化材料、右擊高分子材料新能源領(lǐng)域，化學化工領(lǐng)域，航空航天領(lǐng)域，電子信息領(lǐng)域通用材料設(shè)計、半導(dǎo)體材料及器件設(shè)計和檢測分析、鋰電材料設(shè)計、精細化工材料設(shè)計、生物醫(yī)藥材料設(shè)計、合金金屬材料設(shè)計和CAE接口√√√××××和其他材料計算工具接口√√×√×√√估值與融資2014年MaterialStudio母公司Accelry被達索收購的對價為7.5億美元2023年估值為不到1億美元2023年完成近億元人民幣A輪融資2023年投后估值達到數(shù)十億元2022年完成新一資料來源：MaterialStudio、QuantumATK、Critine、龍訊曠騰、深勢科技、matcloud、鴻之微公司官網(wǎng)，36氪創(chuàng)投平臺，投中網(wǎng)，阿里云，五礦證券研究所材料軟件是新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展中重要的效率工具。按照傳統(tǒng)的材料研發(fā)方式，新材料從研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用大約需要10-20年，應(yīng)用材料軟件后，可以節(jié)省約一半的時間，材料軟件能大大我國自主可控的材料軟件必不可少。目前國內(nèi)材料軟件在計算場景、計算方法、數(shù)據(jù)庫的發(fā)展上有所欠缺，尚不能與國外產(chǎn)品相抗衡。目前使用最廣泛的國外材料計算軟件MaterialStudio對我國軍方禁用，嚴重影響了我國新材料產(chǎn)業(yè)的自主可控。因此，國內(nèi)材料軟件亟需發(fā)展，為新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展保駕護航。但目前材料軟件發(fā)展存在諸多難點。材料發(fā)現(xiàn)軟件的核心是大數(shù)據(jù)和機器學習技術(shù)，有限的數(shù)據(jù)、昂貴的算力和算法的局限性是其發(fā)展的限制。材料計算軟件發(fā)展較為成熟，經(jīng)歷了長時間的積累，目前主流的材料軟件已經(jīng)搭載了多種場景的計算模塊，發(fā)展的難點在于多尺度同時全球最大的材料軟件公司商業(yè)天花板太低。2014年材料計算軟件Materialstudio母公司Accelry估值7.5億美元，2023年材料發(fā)現(xiàn)軟件公司CitrineInformatics估值約僅不到1算機請仔細閱讀本報告末頁聲明Page14/22因此我國材料軟件很難完全依靠市場化的方式實現(xiàn)材料軟件的自主可控，可能需要非市場化的方式推動國產(chǎn)材料軟件的發(fā)展。如果用工業(yè)軟件的視角來理解，廣義上，如果將任何一種新型的工業(yè)品都看做一種材料，那么材料計算軟件也屬于工業(yè)軟件的細分領(lǐng)域，存在CAD、CAE。研發(fā)過程可以分為設(shè)計、工程分析、加工制造三大核心環(huán)節(jié)，材料計算軟件橫貫結(jié)構(gòu)設(shè)計和實驗?zāi)M兩大環(huán)節(jié)，既有CAD，也有CAE，也有設(shè)計和仿真結(jié)合的綜合性軟件。料、產(chǎn)品的各種初始條件，商業(yè)化的軟件會通過軟件程序的運行，呈現(xiàn)出可視化的界面，如原子之間的鍵角，分子中原子的數(shù)量、組成、結(jié)構(gòu)，晶粒之間的位相差，材料平面的彎曲程生產(chǎn)生活中，產(chǎn)品工藝流程中所需要“畫圖”步驟遠比構(gòu)建材料中的分子、晶界等小區(qū)域要復(fù)雜得多，需要仿真的零部件眾多，因此工程上有很多獨立的CAD、CAE前處理軟件來輔助構(gòu)建產(chǎn)品初始條件，如不同部位的長短、彎曲程度、角度、耦合方式等，后續(xù)計算的過程則由眾多獨立的CAE軟件完成。廣義上的CAE，解決仿真分析問題，模擬材料/產(chǎn)品在某個環(huán)境下的性能和行為，即“計算”/“仿真”/“模擬”。具體到計算機程序上，是通過設(shè)計的材料、產(chǎn)品數(shù)據(jù)計算出最終的性能。將“建?！焙汀坝嬎恪倍呓Y(jié)合就能“模擬實驗”。和工藝流程相比，材料本身結(jié)構(gòu)的建模過程較為簡單，而計算更復(fù)雜，因此很多軟件將建模和計算結(jié)合到一個程序中。以MaterialStudio為代表的商業(yè)化軟件可視化做的很好，固定了VASP為代表的傳統(tǒng)學術(shù)軟件，約等于開源的軟件包，需要手動輸入代碼，或者利用VESTA等可視化建模軟件輸出代碼，才能設(shè)置初始變量，進行計算，后續(xù)的結(jié)果可視化需要借助ovito狹義上的工業(yè)軟件也是生活中常用的概念，指的是工藝上的仿真，涉及的是宏觀層面的建模。生活中常說的材料軟件、材料計算軟件、材料模擬/仿真軟件其實都是一回事，都指的是狹義的概念。本文探討的材料計算軟件也是指狹義的概念，即工業(yè)軟件的細分領(lǐng)域——材料研發(fā)。算機請仔細閱讀本報告末頁聲明Page15/22圖表23：使用概念習慣上，狹義材料計算軟件和CAD、CAE的聯(lián)系和區(qū)別ERP,CRMERP,CRM,SCM...材料發(fā)現(xiàn)軟件材料發(fā)現(xiàn)軟件CAD材料組分、結(jié)構(gòu)的選擇，數(shù)據(jù)庫、ACAD材料組分、結(jié)構(gòu)的選擇，數(shù)據(jù)庫、AI、算力“畫圖”“模擬”/“仿真”材料的構(gòu)造設(shè)計工業(yè)軟件CAECAM,CAX,PLM...材料問題工程問題CAECAM,CAX,PLM...材料問題工程問題生產(chǎn)調(diào)度和過程控制類MES,SCADA...材料計算軟件細分學科方法微觀尺度介觀尺度宏觀尺度計算方法第一性原理第一性原理分子動力學分子動力學蒙特卡洛模擬蒙特卡洛模擬有限元分析有限元分析相圖計算相圖計算電磁計算力學計算電磁計算力學計算材料類型應(yīng)用領(lǐng)域復(fù)合材料納米材料航空航天冶金晶體材料復(fù)合材料納米材料航空航天冶金晶體材料半導(dǎo)體半導(dǎo)體高分子材料高分子材料資料來源：Simens,MatCloud+材料云：高通量多尺度全流程的國產(chǎn)材料集成設(shè)計工業(yè)軟件，五礦證券研究所附錄2、學術(shù)類材料軟件多“小而美”學術(shù)類軟件不在本文的探討范圍內(nèi)，但存在著眾多具備收費能力的軟件，缺乏大規(guī)模鋪開的潛質(zhì)，主要因為學術(shù)界和業(yè)界常使用的軟件產(chǎn)品側(cè)重點不同，比如可視化界面、適用范圍等，導(dǎo)致其商業(yè)化價值不同。學術(shù)界常用的軟件“小而美”，常常在某一個細分的算法領(lǐng)域做到領(lǐng)先。學術(shù)界的材料研發(fā)更加領(lǐng)先于業(yè)界，對于專業(yè)性和準確性要求更高，同一個領(lǐng)域的不同計算方法可能會形成不同程序，往往不具備可視化建模和結(jié)果展示的功能，需要使用人員具備一定的代碼能力。在計算方法普適性廣的領(lǐng)域，會形成通用性廣的軟件巨頭，針對不同的應(yīng)用場景，形成不同計算模塊，進而產(chǎn)生大規(guī)模推廣的商業(yè)價值。比如VASP在第一性原理領(lǐng)域是當之無愧第一，thermocalc在相圖計算、冶金領(lǐng)域使用較廣。有的材料軟件在發(fā)展過程中，為了商業(yè)推廣，將“易用性”放在了首位，往往會將可視化做的很好，犧牲一定的計算性能和選擇余地，常常有“算不準”的現(xiàn)象。算材料工程”（ICME）。從概念出現(xiàn)的時間順序上看，遞進關(guān)系是：材料基因組→計算材料設(shè)算機請仔細閱讀本報告末頁聲明Page16/22計→ICME，概念的重點分別為：數(shù)據(jù)驅(qū)動→計算預(yù)測→全生命周期的數(shù)據(jù)驅(qū)動+集成計算工具。從材料研發(fā)的歷史來看，這三個概念雖然出現(xiàn)有早晚，但各自的內(nèi)涵不斷發(fā)展，組成了現(xiàn)代材料研發(fā)史。從概念最開始發(fā)展的思想來看：l材料基因組強調(diào)：材料數(shù)據(jù)是“材料的基因”，材料結(jié)構(gòu)決定宏觀性能，用“數(shù)據(jù)驅(qū)動”的方式開展材料設(shè)計。l材料計算設(shè)計強調(diào)：通過計算去預(yù)測材料特性，進而輔助材料設(shè)計。l作為多空間尺度研究需求下的工具，ICME更強調(diào)：利用材料和產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)，使用集成的計算工具，驅(qū)動材料設(shè)計。l如今，三個概念的基本理念都包含“數(shù)據(jù)驅(qū)動”“高通量計算”，ICME的概念在此基礎(chǔ)上更強調(diào)“多尺度建模”“全生命周期”。MaterialGenome強調(diào)通過高通量實驗和計算，創(chuàng)建大規(guī)模的動的方法來識別新材料。理念是通過高效的實驗和計算，收量材料數(shù)據(jù)，以便更全面地理解材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系ComputationalMaterial計著重于使用計算方法，如第一性原理計算、分子動和優(yōu)化新材料的性能。這通常側(cè)重于理論計算，以理IntegratedComputationalMaterialsEngineering程ICME則是一個更綜合的方法，涵蓋了整個材不僅包括計算材料設(shè)計和高通量數(shù)據(jù)方法，還綜合考慮資料來源：NIST，五礦證券研究所根據(jù)美國NRC（NationalResearchCouncil，國家研究理事會）在2008年發(fā)布的ICME報告中的定義：“ICME是一種通過在多個尺度上連接材料模型來設(shè)計產(chǎn)品、構(gòu)成產(chǎn)品的材料及其相關(guān)材料加工方法的途徑”，在某些情況下，投資回報率高達3:1到9:1。ICME的框架是材料研發(fā)方法的一大進步，主要體現(xiàn)在打通材料和產(chǎn)品全生命周期上的數(shù)據(jù)、工具，進而真正實現(xiàn)材料研發(fā)的“數(shù)據(jù)驅(qū)動”，即各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)、工具都能“為我所用”。通常材料工程與產(chǎn)品設(shè)計是獨立的，在產(chǎn)品優(yōu)化之前就有一個靜態(tài)的材料選擇列表，這使得材料設(shè)計可能過于保守，不能利用材料的全部功能，因此，將材料的選擇推遲到產(chǎn)品開發(fā)的后期，是ICME框架下材料研發(fā)的一個巨大突破。在ICME框架下，不難理解目前材料計算軟件的趨勢：多尺度的集成，也不難理解國外工業(yè)軟件巨頭并購不同環(huán)節(jié)的軟件的趨勢，除了保護性收購的考慮，從材料研發(fā)到產(chǎn)品設(shè)計、再到生產(chǎn)制造，集成整個鏈條上的工具，才能使得各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)都有“用武之地”。算機請仔細閱讀本報告末頁聲明Page17/22圖表25：材料基因組-計算材料設(shè)計-ICME發(fā)展時間軸資料來源：NIST，五礦證券研究所字化進程中的關(guān)鍵縱觀美國材料研發(fā)政策項目的發(fā)展歷史，可以發(fā)現(xiàn)科研機構(gòu)是新興概念和技術(shù)的搖籃，商業(yè)化是成果轉(zhuǎn)化的驅(qū)動力，政策是產(chǎn)學研有機融合的強效催化劑。21世紀初，美國政府意圖打通企業(yè)之間、材料和產(chǎn)品設(shè)計之間的鴻溝，以加強其先進材料及高端制造業(yè)實力。在合金、聚合物、陶瓷復(fù)合材料等先進材料研究趨勢的驅(qū)動下，21世紀初美國推出從AIM計劃到加速技術(shù)轉(zhuǎn)變計劃，再到ICME的正式大范圍推廣，這些文件或表述方式不同，但核心思想都是通過集成材料和產(chǎn)品的全生命周期工，結(jié)合多尺度模型，整合和優(yōu)化材料、部件設(shè)計和制造工藝，達到加速材料研發(fā)的目的，進而服務(wù)于美國的高端制造業(yè)。以下是一些重要的標志性事件、項目和文件，涵蓋了自上而下由國家政府的框架式引導(dǎo)，和自下而上學界、業(yè)界細化方法的推廣，可以說是材料基因組計劃的前奏，讓業(yè)界感到了ICME方法的可行性和變革性：lAIM（2001）計劃奠定了ICME的基礎(chǔ)：20世紀90年代，西北大學成功展示了基于熱力學的基因組設(shè)計方法在金屬、陶瓷、聚合物和復(fù)合材料領(lǐng)域的廣泛適用性，為21世紀初DARPA-AIM計劃奠定了基礎(chǔ)。2001年，DARPA（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，美國國防部先進研究項目局）啟動了AIM（AcceleratedInsertionofMaterials，加速材料應(yīng)用）項目，資助了通用電氣（GE）、普惠算機請仔細閱讀本報告末頁聲明Page18/22（P&W）和波音（Boeing要求其整合各種模型和數(shù)據(jù)來優(yōu)化材料性能或加工過程，不論是基于理論、半經(jīng)驗還是純經(jīng)驗的，還要求通過網(wǎng)絡(luò)連接供應(yīng)商的模型和數(shù)據(jù)用于整個優(yōu)化過程，并鼓勵建立材料設(shè)計人員和產(chǎn)品設(shè)計師之間的早期聯(lián)系機制。這一倡議的目標是建立新的框架，用于集成工具，以快速、低成本地開發(fā)新材料和工藝，AIM方法也是ICME的前身。lFordVAC（2003業(yè)界應(yīng)用ICME非常著名的例子之一是福特汽車公司的VAC（虛擬鋁鑄件,VirtualAluminumCastings）方法，將其用于生產(chǎn)汽車鋁制汽缸蓋。與傳統(tǒng)靜態(tài)材料屬性設(shè)計不同，VAC考慮了加工技術(shù)對材料屬性的影響，在實際制造之前模擬了設(shè)計、鑄造、熱處理和耐久性測試，并將其整合到機械設(shè)計評估中，用于壽命預(yù)測，避免了大量返工和測試。VAC應(yīng)用多空間尺度建模，結(jié)合了多個結(jié)構(gòu)、物理、機械模型，且進行了全面的驗證，其成功在業(yè)界是一個里程碑。l加速技術(shù)轉(zhuǎn)變計劃（2004NMAB（美國國家材料和制造委員會，NationalMaterialsAdvisoryBoard）于2004年推出的《加速技術(shù)轉(zhuǎn)化：在國防系統(tǒng)中為材料和工藝過渡跨越“死亡谷”》倡議在方法技術(shù)、數(shù)據(jù)庫和傳播基礎(chǔ)設(shè)施三個方面進行大力發(fā)展。lONR/DARPAD3D計劃（2005DARPA于2005年推出了D3D計劃，側(cè)重于建立下一代建模和表征工具，進一步擴展了AIM的3D工具。lICME（2008美國的NRC（NationalResearchCouncil，國家研究理事會）在2008年發(fā)表了《集成計算材料工程》（ICME）的報告，作為工業(yè)界、學術(shù)界和政府的一項聯(lián)合倡議，旨在將建模和仿真與材料開發(fā)和產(chǎn)品改進相結(jié)合。在此之后，利弗莫爾軟件（Livermore）技術(shù)公司、ESI集團、海軍水面作戰(zhàn)中心（NavalSurfaceWarfareCenter）、Knolls原子力實驗室（洛克希德-馬丁公司）、豐田中央研發(fā)實驗室、QuesTek和波音公司等也都采用了ICME概念。第一原理計算界面能，晶格參數(shù)和彈性常數(shù)界面能，晶格參數(shù)和彈性常數(shù)CALPHAD一晶格參數(shù)、彈性常數(shù)、界面能數(shù)據(jù)庫晶格參數(shù)、彈性常數(shù)、界面能數(shù)據(jù)庫相場模擬一2/3D微觀結(jié)構(gòu)2/3D微觀結(jié)構(gòu)有限元分析一資料來源：《Anintegratedframeworkformulti-scalematerialssimulationanddesign》,五礦證券研究所相圖計算方法的形成代表著材料基因組研究范式的開端。從以往的依賴實驗的范式，發(fā)展到建模計算方法的形成，再到軟件、數(shù)據(jù)庫、研究社區(qū)的形成，相圖計算引領(lǐng)著材料基因組概念的發(fā)展，大致分為兩個階段：第一階段的標志是1973年CALPHAD國際性學術(shù)雜志的創(chuàng)建。隨著熱力學、統(tǒng)計力學和溶液理論與計算機技術(shù)的發(fā)展，1970年代初左右，相圖研究從以相平衡的實驗測定為主，進入了熱化學與相圖計算機耦合研究的新階段，并發(fā)展成為一門介于熱化學、相平衡和溶液理論與計算技術(shù)之間的交叉學科分支———CALPHAD（CALculationofPHAseDiagram）。請仔細閱讀本報告末頁聲明Page19/22CALPHAD方法基礎(chǔ)是合理篩選出體系所需實驗數(shù)據(jù)，進而進行一系列熱力學計算，最終得到各相平衡信息。第二階段的特征是軟件基礎(chǔ)設(shè)施和社區(qū)的形成和發(fā)展，眾多的材料計算軟件公司誕生，助力開發(fā)出重要的先進材料。1980年代左右，Thermo-Calc軟件（1981）、和SGTE（ScientificGroupThermodataEurope）誕生，可以說此階段的CALPHAD方法已經(jīng)具備了MGI的基礎(chǔ)設(shè)施。進入1990年代，CALPHAD繼續(xù)集成研究方法和研究尺度，一大批材料工程師意識到計算材料科學已經(jīng)達到了一個可作為強大的實用工具，1994年Thermo-Calc加入擴散模塊DICTRA。SGTE是由西歐七個組織組成的聯(lián)盟，致力于為無機和冶金系統(tǒng)編制全面、自洽和權(quán)威的熱化學數(shù)據(jù)庫，為Thermo-calc提供了通用合金和純物質(zhì)數(shù)據(jù)庫。進入21世紀，微尺度研究方法DFT逐漸被集成到材料計算框架之中。美國材料基因組計劃的正式發(fā)布，標志著材料基因組由學術(shù)界的概念推廣至工業(yè)化應(yīng)用。l在2002年的美國國家自然科學基金會信息技術(shù)研究(ITR)計劃資助的“為多組元材料設(shè)計服務(wù)的計算工具”研究項目中進一步強化了材料的基本組成模塊這個概念。l2011年發(fā)布的材料基因組計劃正式拉開了美國建設(shè)材料研發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施的帷幕。2011年6月24日，奧巴馬總統(tǒng)宣布了“先進制造業(yè)伙伴關(guān)系”計劃（AdvancedManufacturingPartnership，AMP呼吁美國政府、高校及企業(yè)之間應(yīng)加強合作，以強化美國在制造業(yè)的領(lǐng)先地位，而“材料基因組計劃”（MaterialsGenomeInitiative，MGI）作為AMP計劃中的重要組成部分，投資超過1億美元，以期保持在能源、電子、國防、醫(yī)療保健等領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。MGI計劃一共有三版，分別是2011、2014和2021版，隨著時代和技術(shù)的發(fā)展，對于MGI的目的和手段的認知越來越清晰，核心仍是集成統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施，需要在實驗、計算、理論三個重要環(huán)節(jié)上，通過“人、數(shù)據(jù)、工具”三個要素的互聯(lián)互通，利用數(shù)據(jù)和計算工具的力量來加速新材料的發(fā)現(xiàn)、設(shè)計、開發(fā)和部署。l2011年版的第一版MGI首次提出了創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施的框架，指出其目標是使得材料研發(fā)時間減少一半以上，甚至通過集成已有的工業(yè)計算分析軟件使得研發(fā)時間從10-20年l2014年的第二版MGI指出計劃成功的四大挑戰(zhàn)，概括而言，是在實驗、計算、理論的層面上，應(yīng)當（1）加強產(chǎn)學研的合作2）整合工具技術(shù)3）數(shù)據(jù)共享，以及l(fā)2021年的第三版MGI在2011、2014的基礎(chǔ)之上，再次明確了MGI社區(qū)（community）的目標1）統(tǒng)一材料創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施2）利用材料數(shù)據(jù)的力量，（3）對材料研究開發(fā)人員進行教育、培訓(xùn)和連接。在此之上強調(diào)了國家材料數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（NMDN）的建立、將量子力學融入材料生命周期、AI的創(chuàng)新驅(qū)動力。算機請仔細閱讀本報告末頁聲明Page20/22人類福利清潔能源人類福利清潔能源計算工具實驗工具數(shù)字化數(shù)據(jù)國家安全國家安全下一代員工下一代員工材料創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施資料來源：NIST,五礦證券研究所12論34資料來源：NIST,五礦證券研究所此外，歐盟在美國啟動MGI（MaterialsGenomeInitiative）之時，針對六大類高性能合金量、高溫、高溫超導(dǎo)、熱電、磁性及熱磁、相變記憶存儲）的需求，于2011年啟動了“加速冶金學”（AcceleratedMetallurgy,AccMet）項目，隨后在2012年提出了“冶金歐洲”（MetallurgyEurope）計劃。AccMet主要關(guān)注合金的設(shè)計和模擬，而“冶金歐洲”計劃則更加注重工業(yè)應(yīng)用的推廣。我國科技部在2015年也啟動了“材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺”重點專項；2021年6月，中科院北京市材料基因組研究平臺的材料計算子平臺正式運行；2020年8月上線了我國首個世界級的材料科學數(shù)據(jù)庫A。風險提示1、材料計算、AI、算力等行業(yè)發(fā)展不及預(yù)期；3、第三方數(shù)據(jù)有失真實性。請仔細閱讀本報告末頁聲明Page21/22分析師聲明作者在中國證券業(yè)協(xié)會登記為證券投資咨詢(分析師)，以勤勉的職業(yè)態(tài)度，獨立、客觀地出具本報告。作者保證i）本報告所采用的數(shù)據(jù)均來規(guī)渠道ii）本報告分析邏輯基于作者的職業(yè)理解，并清晰準確地反映了作者的研究觀點iii）本報告結(jié)論不受任何第三方的授意或影響iv）不存在任何利益沖突；（v）英文版翻譯若與中文版有所歧義，以中文版報告為準；特此聲明。投資評級說明投資建議的評級標準報告中投資建議所涉及的評級分為股票評級和評級說明股票評級預(yù)期個股相對同期相關(guān)證券市場代表性指數(shù)的回報在20%及以上；增持預(yù)期個股相對同期相關(guān)證券市場代表性指數(shù)的回報介于5%～20%之間；持有預(yù)期個股相對同期相關(guān)證券市場代表性指數(shù)的回報介于-10%～5%之間；預(yù)期個股相對同期相關(guān)證券市場代表性指數(shù)的回報在-10%及以下；無評級預(yù)期對于個股未來6個月市場表現(xiàn)與基準指數(shù)相比無明確觀點。行業(yè)評級看好預(yù)期行業(yè)整體回報高于基準指數(shù)整體水平10%以上；預(yù)期行業(yè)整體回報介于基準指數(shù)整體水平-10%～10%之間；看淡預(yù)期行業(yè)整體回報低于基準指數(shù)整體水平-10%以下。一般聲明五礦證券有限公司（以下簡稱“本公司”）具有中國證監(jiān)會批復(fù)的證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格。本公司不會得以任何形式對本研究報告的任何部分以任何方式制作任何形式的翻版、復(fù)制或再機構(gòu)（以下簡稱“該機構(gòu)”）發(fā)送本報告，則由該機構(gòu)獨自為此發(fā)送行為負責。息可在不發(fā)出通知的情形下做出修改，投資者應(yīng)當自行關(guān)注相應(yīng)的更新或修改。默措施的利益沖突。五礦證券版權(quán)所有。保留一切權(quán)利。特別聲明融產(chǎn)品等各種金融服務(wù)。因此，投資者應(yīng)當考慮到五礦證券及/或其相關(guān)人員可能存在影響本報告觀點客觀性的潛在利益沖突，投資者請勿將本報告視為投資或其他決定的唯一參考依據(jù)。聯(lián)系我們上海深圳北京震旦國際大廈30樓大廈23層地址：北京市海淀區(qū)首體南路9號4樓603室郵編：200120郵編：518035Page22/AnalystCertificationTheresearchanalystisprimarilyresponsibleforthecontentofthisreport,inwholeorinpart.TheanalysthastheSecuritiesInvestmentAdvisoryCertificationgrantedbytheSecuritiesAssociationofChina.Besides,theanalystindependentlyandobjectivelyissuesthisreportholdingadiligentattitude.Weherebydeclarethat(1)allthedatausedhereinisgatheredfromlegitimatesources;(2)theresearchisbaseunderstanding,andaccuratelyreflectshis/herviews;(3)theanalysthasnotbeenplacedunderanyundueinfluenceorinterventionfromathirdpartyincompilingthisreport;(4)thereisnoconflictofinterest;(5)incaseofambiguityduetothetranslationofthereport,theoriginalversioninChineseshallprevail.InvestmentRatingDefinitionsTheratingcriteriaofinvestmentrecommendationsTheratingscontainedhereinareclassifiedintocompanyratingsandsectorratings(unlessotherwisestated).Theratingcriteriaistherelativemarketperformancebetween6and12monthsafterthereport’sdateofissue,i.e.basedontherangeofriseandfallofthecompany'sstockprice(orindustryindex)comparedtothebenchmarkindex.Specifically,theCSIbenchmarkindexoftheHKmaRatingsDefinitionsStockreturnisexpectedtooutperformthebenchmarkindexbyStockrelativeperformanceisexpectedtorangebetween5%and20%;Stockrelativeperformanceisexpectedtorangebetween-10%and5%;StockreturnisexpectedtounderperformthebenchmarkindexbyNoclearviewofthestockrelativeperformanceoverthenext6SectorOverallsectorreturnisexpectedtooutperformthebenchmarkOverallsectorexpectedrelativeperformancerangesbetween-OverallsectorreturnisexpectedtounderperformthebenchmarkGeneralDisclaimerMinmetalsSecuritiesCo.,Ltd.(or“thecompany”)islicensCommission.TheCompanywillnotdeemanypersonasitsclientnotwithstandinghis/herreceiptofthisreport.Thereportisissuedonlyunderpermitofrelevantlawsandregulations,solelyforthepurposeofprovidinginformation.Thereportshouldnotbeusedorconsideredasanofferorthesolicitationofanoffertosell,buyorsubscribeforsecuritiesorotherfinancialinstruments.Theinformationpresentedinthereportisunderthecopyrightofthecompany.Withoutthewrittenpermissionofthecompany,noneoftheinstitutionsorindividualsshallduplicate,copy,orredistributeanypartofthisreport,inanyform,toanyotherinstitutionsorindividuals.Thepart