新材料都是算出来的？一文读懂“第一性原理计算软件”

逆向仿制永远屈居人后，究竟如何才能高效开展正向研发？

你有没有好奇过：手机电池怎样才能充得更快？智能芯片怎样继续提升运算性能？人造骨骼怎样与人体更佳融合？这些和我们生活息息相关的问题，答案往往藏在材料的“微观世界”——也就是原子和电子的排列组合与运动规律之中。

在相当长的时期里，工业研发的核心障碍是“实验成本”。化学实验、物理试制、测试与迭代，耗费着巨大的时间和金钱。因此，仿真软件应运而生。

然而，当工业创新触及材料性能的物理极限时——例如，设计能量密度更高的电池材料——仅凭有限历史经验与繁复试验迭代的传统研究方法便出现巨大不足，基于经验的仿真软件也遇到应用瓶颈，它们缺乏描述电子行为的底层物理。

如果要进一步提升材料性能，我们必须回答：究竟是什么原子结构导致了这种特性？能否设计一种全新的原子排列来获得突破？这种原子排列还需要匹配哪些微观特征才能实现更高性能？ 

这正是“第一性原理计算软件”登上舞台的核心驱动力。不必依赖复杂的实验设备，也不依靠经验猜测，而是从原子本质的规律出发，使用科学方法推演材料的特性，让许多原本难以实现的创新成为可能。

由此，工业软件不再仅仅是替代实验的“效率工具”，更演进为探索材料本源的“发现工具”。

随着算力提升与算法优化，第一性原理计算软件已从学术研究的小众工具，成长为连接科研创新与产业落地的核心桥梁。

我们过去总是存在一个经典矛盾：逆向仿制永远屈居人后，究竟如何才能高效开展正向研发？近年以来，这项密不外传的“武功秘籍”获得解密。

英特尔、杜邦、丰田等一批全球知名企业早在90年代末就已经使用第一性原理计算软件进行半导体材料、催化剂材料、电池材料的优化设计。

如今，第一性原理计算软件已不再是少数企业的“私藏绝学”，而是成为各行各业突破技术瓶颈、抢占创新高地必须修炼的“内功心法”，贯穿于从基础研究到产业应用的全流程，应用早已突破材料科学的单一范畴，渗透到与物质研发相关的众多关键领域。

在新能源领域：无论是光伏材料的光电转换效率优化、氢能存储材料的稳定性设计，还是新型储能电池的容量与安全性提升，都依赖原子层面破解性能瓶颈。

在半导体领域：光刻胶材料研发、纳米器件的量子隧穿效应调控、柔性电子的耐疲劳材料设计，均通过精准模拟实现技术迭代。

在生物医药领域：广泛应用于医用植入材料的生物相容性优化、药物分子与靶点的结合机制分析、新型疫苗佐剂的结构设计、生物传感器的灵敏度提升等多个方向。

在节能环保领域：CO?转化催化技术、工业尾气净化催化剂研发、可降解高分子材料的降解路径优化、海水淡化膜材料渗透性能改进都有材料设计的助力。

在航空航天领域：极端环境下的耐高温合金研发、轻量化复合材料的强度与韧性平衡、航天器涂层的抗辐射与防腐蚀设计，也离不开原子级精准支撑。

从学术殿堂的理论研究突破到产业一线的技术落地，第一性原理计算软件正在成为全球创新力量的共同选择。

第一性原理计算软件：从功能到价值的深度解析

作为连接量子力学理论与材料创新实践的核心载体，第一性原理计算软件以原子级精准度打破传统研究边界，构建起从微观结构到宏观性能的预测体系。让我们深入了解第一性原理计算软件：

（1）软件本质：原子级设计的“数字黑箱”

第一性原理计算是一种基于量子力学原理的计算方法，核心逻辑是“回归物质本源”，计算过程完全基于量子力学基本定律与物理常数，不依赖任何经验参数，通过数值求解薛定谔方程预测材料的各种性能。

这种计算能够从原子层面和电子层面揭示材料的本质特性，实现原子级别的精准控制，是现代材料科学解决实验理论问题和预测新材料结构性能的有力工具。

简单来说，第一性原理计算软件可以看作一个精准的“数字黑箱”。

输入参数：基本包括晶体结构（原子三维空间坐标）、晶胞形状、原子种类以及计算参数等。

输出参数：根据计算需求推测能量性质、结构性质、电子性质、力学性质、光学性质等。

此外，不同第一性原理计算软件还有许多高级功能，例如高通量计算可以自动地、快速地对成千上万种不同的原子组合进行筛选，就像同时测试大量不同的配方，快速找出其中最有潜力的，极大加速新材料的发现速度；多尺度计算能够把精确但是计算量大的量子力学方法（适用于小体系）和计算高效但相对粗略的经典方法（适用于大体系）巧妙地结合起来，使得在保持一定精度的同时，能够模拟包含数百万甚至千万原子的超大体系，从而研究更接近真实材料的复杂性质。

（2）应用范围：跨越多维的材料体系

第一性原理计算软件的应用范围极其广泛，从零维到三维的各种材料体系均可进行有效计算，并且能够研究极限条件下的材料性质，例如在超高压、极端温度等传统实验难以实现的环境下预测材料的结构相变和性质变化。

这种能力使第一性原理计算软件成为传统实验方法的重要补充，甚至在有些情况下能够提供实验无法获取的微观机制理解。

（3）深远价值：赋能材料创新的重要工具

第一性原理计算软件的深远价值深度渗透科研探索与产业升级全链条，既为科研探索打开认知维度，也为产业升级实现降本增效，成为驱动材料科学跨越式发展的重要工具。

降低前沿探索门槛：构建“计算预测-实验验证”的逆向研发范式，支持科学家主动设计并预言未知材料体系与物理效应，从“被动验证”转向“主动创造”，规避盲目实验带来的资源浪费，拓宽基础研究的探索边界。

减少实验试错成本：破解传统工业研发“炒菜式”试错的低效困境，通过前置计算筛选最优材料配方、结构参数与工艺方案，可以将实验室阶段的实验验证比例从90%以上降至30%以内，显著降低千万级乃至亿级的研发投入损耗。

缩短产业化周期：摆脱对大型精密实验设备的依赖，从量子力学本源出发直接验证科学假设，将材料性质预测、反应机理解析、新物理现象探究的研究周期大幅压缩，并且打通“理论设计-工艺优化-性能验证-量产适配”全流程链路，可以将新材料从实验室原型到工业量产的周期从10-15年缩短至3-5年，加速技术成果向实际生产力转化。

优化产品性能上限：以数据驱动替代经验驱动，通过精准调控材料微观结构（如掺杂元素配比、界面原子排布、缺陷类型与密度），突破传统研发的性能瓶颈，实现产品核心指标的跨越式提升，构建产业竞争壁垒。

此外，国产软件对于打破国外技术垄断具有战略意义，规避核心研发数据泄露与技术授权受限的风险，在半导体、新能源、高端材料等关键领域实现计算工具的自主可控，降低对国外技术体系的依赖。

全球第一性原理计算软件市场正呈现高速增长态势，核心驱动源于材料科学、半导体、新能源、生物医药等领域的研发需求爆发，当前竞争形成“外资商业+国际开源+国产商业”的三元格局。

外资商业软件以VASP、Materials Studio为代表，凭借悠久历史、完善功能和卓越精度，在学术界和工业界的实践应用中占据主导地位，但是作为闭源商业软件，授权许可费用相对国产商业软件较高。

国际开源软件以Quantum ESPRESSO、CP2K为代表，依托免费优势和活跃社区，成为科研机构的重要选项，正在快速渗透基础研究与中小企业市场，然而，国际开源软件虽然功能强大，但是缺乏商业维护导致使用门槛较高。

国产商业软件以龙讯旷腾PWmat为代表，通过自主创新，在GPU加速、百万原子级计算能力、人工智能融合以及云计算平台等方面展现强劲的后发优势，正在积极推动国产替代并且拓展工业应用。

（1）全球主流软件概览

VASP:1989年维也纳大学Hafner小组开发，初期为学术工具，2000年之后商业推广，现为商用授权软件。核心功能覆盖电子结构计算、静态性质推导、动态过程模拟、光学与磁学等。VASP在学术界和工业界应用广泛，全球使用占比最高，是许多科研人员的首选工具。

Quantum ESPRESSO（QE）：1993年意大利Trieste大学与多国科研机构联合开发，现为开源社区项目（开源免费），源码可以自由下载、修改与二次开发。QE提供了与商业软件媲美的核心功能，包括电子结构计算、结构优化、分子动力学、声子计算等，此外，特色在于包含了超导计算、电子能量损失谱等一些商业化软件不具备的高级功能。QE在学术界非常流行，由于开源特性，用户可以根据需要修改代码，但是由于缺乏商业维护，导致规范程度、易用程度、专项优势等有所缺陷。

Materials Studio（MS）：2001年美国Accelrys公司（现为达索系统BIOVIA品牌）开发，现为商用授权软件。MS属于高度模块化的集成工具，其中，CASTEP是第一性原理计算的核心模块，此外还包含分子动力学、结构建模等多个功能模块。MS拥有强大的图形化界面，易于学习和操作，在全球高校、研究所及化工、制药、材料等工业研发部门有广泛应用。

CP2K：2000年苏黎世理工学院等机构联合开发，现为开源社区项目（开源免费），部分高级功能需要商业授权。CP2K除了标准的电子结构计算以外，其在基于经典力场的大规模分子动力学模拟方面表现卓越，分子动力学功能强大，特别擅长进行大体系（可达数千甚至上万原子）的原子级模拟，能够有效处理溶液环境、界面反应、生物大分子等复杂体系。

ATK：2002年丹麦QuantumWise公司开发，2019年美国Synopsys公司收购QuantumWise之后，整合至其半导体设计工具。ATK聚焦纳米电子器件，功能覆盖从结构设计到性能评估的器件级模拟，功能覆盖电子输运、电子结构、声子输运等。ATK专注纳米结构电子输运性质的模拟，是半导体设计的重要工具。

Gaussian：最初由美国卡内基梅隆大学约翰·波普爵士开发，1987年版权归属Gaussian公司，现为商业授权软件。Gaussian聚焦小分子与分子体系的高精度计算，功能覆盖电子结构计算、激发态与光谱、分子反应与性质、药物设计适配等。Gaussian是功能强大的量子化学综合软件，大大降低了计算化学的门槛，是研究分子结构和反应机制的重要工具。

VASP和MS作为行业标杆，在精度和易用性上占据显著优势；QE和CP2K凭借开源特性成为学术研究的基石；ATK和Gaussian则在细分领域（如纳米电子学、量子化学）不可替代。

（2）实践挑战：计算速度与计算规模的瓶颈

第一性原理虽凭借原子级精准度成为材料研发的核心工具，但受理论本质、技术瓶颈与产业需求差异的影响，在实际应用中仍存在明显短板，集中体现在计算速度与计算规模。

①计算速度：高精度与高效率难两全

第一性原理的计算速度一直受限于量子力学方程求解的固有难度，核心问题是“计算量会随着材料中电子数量的增加而快速翻倍”。

其一，追求高精度时速度会大幅下降，如果希望让计算结果更加贴近真实情况（比如精准测算半导体的导电性能），就需要采用更加复杂的计算逻辑，这会让效率比常规计算降低10-100倍。比如计算一款半导体材料的精确性能，常规情况可能耗时几小时，如果达到工业级精度，耗时可能拉长到几天甚至几周。

其二，很难模拟长时间的动态过程，第一性原理能捕捉的时间单位是“飞秒”级别，哪怕借助高性能显卡加速，一次模拟也顶多覆盖到“纳秒”级别。但在工业应用中，电池的老化、催化剂的失活等，都是以“年”为单位的过程，模拟结果和实际应用之间存在巨大的“时间断层”。此外，计算前的参数调试（比如选择合适的计算模型、匹配材料的原子特性）往往需要反复试错，进一步拖慢了研发进度。

②计算规模：体系大小与精度难兼顾

传统第一性原理计算很难同时满足“大体系”和“高精度”的需求，存在明显的规模瓶颈。

市面上主流的计算软件，在保证结果准确的前提下，通常只能处理数千个原子的体系。但是工业中常用的材料（比如高分子复合材料、多组分合金、芯片里的复杂结构），往往包含数万甚至数百万个原子，面对这样的大体系，常规计算的时间会呈指数级增长，甚至超出现有计算机的算力极限。

虽然现在有新算法能突破到百万原子级模拟，但为了加快速度，会简化一些细节处理，导致材料表面的微弱作用力、微小缺陷等关键信息被忽略。而这些细节恰恰可能影响产品性能，比如催化剂表面的一个微小缺陷，可能直接决定它的催化效率；半导体材料里的一个杂质原子，可能导致芯片性能不达标。

更关键的是，工业研发中常遇到“宏观产品与微观结构”的跨尺度问题（比如电池极片的颗粒堆积方式如何影响内部化学反应），单一的第一性原理方法根本覆盖不了，需要结合多种计算模型，但不同模型之间的衔接精度至今没有统一标准。

（3）国产标杆：龙讯旷腾PWmat的突围

在第一性原理计算软件市场长期被外资产品主导的背景下，国产软件正凭借核心技术突破实现突围，其中龙讯旷腾自主研发的PWmat尤为突出，不仅完全覆盖传统软件的典型功能，更在传统软件的痛点领域实现关键突破。

▲龙讯旷腾PWmat软件界面

2015年，首位获得戈登?贝尔奖（超算领域的诺贝尔奖）的华人汪林望教授创立龙讯旷腾，发展至今获得包括华为哈勃投资、中国互联网投资基金、同创伟业、国宏嘉信等众多知名投资机构加持，目前服务已经覆盖全球200余所顶尖科研机构以及国内新能源、新材料、半导体领域的龙头企业。

▲龙讯旷腾董事长汪林望教授

龙讯旷腾PWmat作为国产第一性原理计算软件的标杆产品，核心优势体现在计算性能、功能配置以及用户体验等方面，系统性解决了传统软件在科学研究和工业应用中面临的关键瓶颈。

功能配置方面：PWmat是一个覆盖全面的综合平台。它不仅完整支持结构优化、电子结构解析、物化性质预测、动态过程模拟等典型功能，还集成了多项特色高级功能。例如：

rt-TDDFT（实时含时密度泛函），用于拍摄原子和电子在激光照射等超快过程下的“高速纪录片”。传统方法的时间分辨率太低（阿秒级），只能拍出模糊的瞬间。PWmat的改进就像开发了一种新的拍摄技术，让时间步长变得更长（飞秒级），从而能连续记录更长时间（皮秒级）的完整过程，比如光催化反应中能量是如何一步步传递的，就像用高速摄影看清子弹穿透苹果的每一个细节。对于现代半导体工业来说，rt-TDDFT是从半导体材料的光致调控逆设计和光刻胶的超快反应过程等关键研究中，实现深刻理解与有效优化的强大理论工具与计算手段。

▲PWmat中rt-TDDFT应用实例

AutoDefect（点缺陷计算），AutoDefect就像一个自动化的“材料体检医生”，能自动在晶体模型中引入各种类型的“原子级伤痕”（缺陷），然后运行大量模拟，最后生成一份详细的“体检报告”，告诉我们哪种缺陷对材料性能（如导电性）影响最大，大大提升了研究效率。

▲PWmat中AutoDefect功能特性

FPM（固定电势法），模拟电池充电或水分解制氢等电化学反应时，核心是控制电压。传统方法像是给系统固定充入一定量的“电荷”，但这不符合真实情况（真实情况是电压固定，电荷量变化）。FPM功能则像在模拟世界中安装了一个精密的“电压控制器”，能实时调整体系电荷量以保持电压恒定，从而无比真实地模拟电极表面的反应，帮助设计更高效的电池和催化剂。

▲PWmat中FPM应用实例

计算性能方面：传统方法就像用算盘计算一个巨大城市每个人的账本，速度极慢，最多只能算清一个小村子（约1000个原子），而龙讯旷腾自主研发的LS3DF（线性标度三维分块算法）采用了“分而治之”的方法，就像派出了成千上万个智能助手，每个助手同时计算一个街区的账本，然后再巧妙拼成整个城市的全景图。这使得用一台价值几百万的计算机集群，就能完成价值60亿的超级计算机才能做的千万原子级模拟，大大降低了研究纳米级芯片、复杂缺陷材料的门槛。

同时，PWmat是全球首批实现高效GPU加速的平面波软件之一，通过深度优化，计算速度相比传统CPU版本显著提升，大幅降低了硬件成本和计算时间。为了突破时间尺度的限制，其机器学习力场平台MatPL能够基于第一性原理数据生成高精度势函数，将分子动力学模拟时长延伸至微秒量级，用于研究电池老化、催化剂失活等慢过程。

此前，腾讯量子实验室发布《突破极限：实现百万原子超大体系平面波精度第一性原理计算》，正是龙讯旷腾联合腾讯量子实验室、腾讯云高性能计算产品团队、盐城工学院石林教授团队，基于240张GPU卡，仅用16小时就完成了112万硅原子的电荷密度计算，创下平面波精度下百万原子模拟的纪录。对于常规科研和工业需求，1万个原子的体系在单台服务器上就能轻松完成计算，既不忽略材料表面弱相互作用、微小缺陷等关键细节，又能满足高分子复合材料、半导体异质结等复杂体系的模拟需求，为跨尺度问题研究提供了可靠的微观计算支撑。

用户体验方面：PWmat致力于降低技术门槛，全方位适配不同用户的使用场景与能力需求。Q-Studio对标Materials Studio，直观的图形化界面简化模型搭建、参数设置等基础操作，无需复杂代码基础即可上手。在此基础上升级的Q-Flow可视化工作流工具，支持用户通过拖拽组件的方式搭建复杂计算流程，自动化完成任务提交、结果整合等全流程操作，极大减少手动编写输入文件的繁琐步骤与出错概率，让非专业计算人员也能高效开展模拟工作。

▲PWmat中Q-Flow可视化工作流工具

此外，软件内置丰富的结果可视化模块，可自动生成能带图、态密度曲线、电荷密度分布图等专业图表，直接适配论文发表、项目汇报等场景，同时兼容VASP、Quantum ESPRESSO等主流软件的输入输出格式，方便用户迁移历史项目数据，降低工具切换成本。

除本地安装版本外，PWmat提供云平台部署选项，用户通过浏览器即可随时随地发起计算任务，无需投入精力进行本地硬件配置、环境调试，尤其适配科研团队跨地域协作、企业多部门共享算力的需求。更重要的是，作为国产软件，PWmat能够提供及时、无语言障碍的本土化技术支持和定制服务，这对于企业用户将软件深度集成到研发流程中至关重要。

市场规模：百亿蓝海与国产替代机遇

当前，全球第一性原理计算软件市场呈现出高速增长态势，但竞争格局高度集中。

根据Genvor Research，市场份额来看，外资软件占据绝对主导地位，市场占比约在90%以上。其中，外资商业软件（如VASP、Materials Studio）与国际开源软件（如Quantum ESPRESSO、CP2K）各占整体市场的45%份额左右，相比之下，国产软件市场占比仍低于10%，存在巨大的国产替代空间。

科研领域市场规模：全球材料科学研究人员约90万人，其中高校约占80%（约72万人），科研机构占15%（约13.5万人），企业占5%（约4.5万人）。此外，化学、物理、能源等学科中涉及材料计算的研究人员约20万人。剔除企业研究人员，科研领域研究人员约为105万人。以5人构成一个典型研究团队并配置1套软件计算，假设第一性原理计算软件在当前科研群体中的渗透率为5%，则对应的科研领域市场规模约为15.2亿元/年。这一市场由国家级科研经费、高校专项资金等稳定支持，是软件生态建设和人才培养的基石。

产业领域市场规模：全球结构材料、微电子、新能源等领域研发支出总和预计超5000亿美元（约合3.5万亿元人民币），随着“计算驱动研发”范式的普及，材料计算在相关研发投入中的占比正稳步提升，以材料计算研发投入占比5%进行估算，假设第一性原理计算软件在当前工业研发中的渗透率为5%，那么对应的产业领域市场规模高达约48.1亿元/年。该市场的驱动因素包括企业迫切的降本增效需求、产品迭代加速压力以及在半导体、新能源等战略行业构建技术壁垒的迫切需要。国内外龙头企业如巴斯夫、丰田、华为等的成功实践，正强力驱动该市场渗透率的快速提升。

综合来看，第一性原理计算软件的合计市场规模超过60亿元/年。需要强调的是，这一估算是基于当前相对较低的渗透率。随着人工智能与第一性原理计算的深度融合、计算精度和效率的持续突破，以及在新材料发现、药物设计等更广阔领域的应用拓展，软件渗透率有望持续快速提升。

因此，当前市场仅揭示了巨大潜力的冰山一角，未来是一个充满机遇的百亿级蓝海市场，尤其为具有后发优势和技术特色的国产软件提供了广阔的成长舞台。

第一性原理计算软件作为材料科学从“实验试错”走向“原子级设计”的核心数字工具，已经深度融入科研探索与产业升级的全链条，成为破解新材料研发周期长、成本高、风险大等痛点的关键支撑。从学术领域的微观机制解析到工业界的量产技术优化，从跨国企业的标杆实践到国产软件的突围崛起，这一领域的发展不仅重塑了材料创新的范式，更承载着高端制造核心技术自主可控的战略意义。

全球市场中，外资软件虽然长期占据主导地位，但是以龙讯旷腾PWmat为代表的国产力量，通过算法革新、硬件适配与生态构建，系统性解决了传统软件在计算速度、计算规模与计算精度之间的矛盾，不仅打破了百万原子级模拟的世界纪录，更通过低门槛的操作体验与本土化服务，让高端计算工具走进更多科研团队与企业研发流程，为国产替代奠定了坚实基础。

当前，第一性原理计算软件正朝着“更大体系、更长时程、更高精度、更易使用”的方向演进，而人工智能与量子力学的深度融合、跨尺度模拟技术的突破，将进一步拓宽其应用边界——从新能源电池的寿命预测到半导体芯片的性能优化，从生物医药的材料设计到碳中和领域的催化创新，这一工具将持续成为颠覆性技术诞生的“数字摇篮”。

对于中国而言，第一性原理计算软件的自主发展，不仅是材料科学领域的技术突破，更是保障国家在新能源、新材料、半导体、高端制造等关键赛道核心竞争力的战略支撑。随着国产软件在功能覆盖、性能优化与生态建设上的持续深耕，必将推动更多新材料、新技术从实验室走向产业化，在全球科技竞争的新格局中，书写以数字创新驱动产业升级的崭新篇章。（文章转载：斤风万象）