據(jù)外媒報道，由于可輸出高能量且充電速度快，電容器在為電動汽車和手機等未來機器提供動力方面將發(fā)揮重要作用，但是電容器成為儲能設(shè)備的一大阻礙是，其存儲的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同等大小的電池。美國佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）的研究人員找到一種新穎的辦法，以解決上述問題。研究人員們利用超級計算機和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，最終成功打造了更強大的電容器。該項研究包括教會計算機分析生產(chǎn)電容器的兩種材料 – 鋁和聚乙烯的原子。

（圖片來源：加州大學(xué)圣地亞哥分校）

研究人員專注于尋找方法以更快地分析電容器材料的電子結(jié)構(gòu)，找到能夠影響電容器性能的特性。佐治亞理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（Georgia Tech’s School of Materials Science and Engineering）教授Rampi Ramprasad表示：“電子行業(yè)希望能夠了解用于生產(chǎn)電子設(shè)備（包括電容器）的所有材料的結(jié)構(gòu)和特性。例如，聚乙烯是一種很好的絕緣體，具有很大的帶隙，能量范圍是電荷載體所達(dá)不到的，但是其具有一個缺點就是，多余的電荷載體可以進(jìn)入帶隙，從而降低了效率?！?/p>

Ramprasad表示：“為了了解缺陷在哪里，以及發(fā)揮什么作用，我們需要計算材料的整個原子結(jié)構(gòu)，目前為止還非常困難。目前使用量子力學(xué)分析此類材料太慢，限制了特定時間內(nèi)所進(jìn)行的分析量?！?/p>

Ramprasad跟同事一起使用了機器學(xué)習(xí)方法，研發(fā)出了新材料。他們采用了量子力學(xué)分析鋁和聚乙烯產(chǎn)生的數(shù)據(jù)樣本，教會了一臺強大的計算機如何模擬進(jìn)行此類分析。用量子力學(xué)分析材料的電子結(jié)構(gòu)涉及到求解密度泛函理論的科恩-沙姆方程式，該方程式會產(chǎn)生波函數(shù)和能量級數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)可用于計算該系統(tǒng)的總勢能和原子力。

研究人員使用了圣地亞哥超級計算機中心（San Diego Supercomputer Center）的Comet超計算機，圣地亞哥超級計算機中心是加州大學(xué)圣地亞哥分校一個有組織的研究單位，用于早期計算；還使用了德州大學(xué)奧斯汀分校德州高級計算中心的Stampede2超級計算機，用于本研究的后期階段。

與使用基于量子力學(xué)的傳統(tǒng)技術(shù)相比，使用新型機器學(xué)習(xí)法產(chǎn)生的類似結(jié)果多了幾個數(shù)量級。Ramprasad表示：“計算能力得以提高就可以讓我們設(shè)計出比現(xiàn)有材料更好的電子材料。”

雖然此次研究重點在鋁和聚乙烯，但是機器學(xué)習(xí)方法能夠用于分析更多種類材料的電子結(jié)構(gòu)。Ramprasad表示，除了能夠分析電子結(jié)構(gòu)外，現(xiàn)在量子力學(xué)分析的材料結(jié)構(gòu)的其他方面也可以通過機器學(xué)習(xí)方法來加速。

機器學(xué)習(xí)法讓處理速度更快，就能夠讓研究人員更快地模擬材料的變化會如何影響其電子結(jié)構(gòu)，從而找到提升其效率的新方法。Kamal表示：“超級計算機系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高通量計算，從而能夠創(chuàng)建關(guān)于各種材料系統(tǒng)的海量知識數(shù)據(jù)庫，然后此類知識能夠幫助我們?yōu)樘囟☉?yīng)用尋找最佳材料?！?/p>

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