第四范式的產(chǎn)生背景

材料創(chuàng)新一直是各領(lǐng)域的核心技術(shù)問(wèn)題，以至于材料更新迭代經(jīng)常成為時(shí)代進(jìn)步的標(biāo)志。傳統(tǒng)的材料研發(fā)模式通常依賴于實(shí)驗(yàn)“試錯(cuò)法”，研發(fā)時(shí)長(zhǎng)動(dòng)輒幾十年，不僅前期研發(fā)投入巨大，研發(fā)效率也無(wú)法滿足21世紀(jì)工業(yè)發(fā)展對(duì)新材料的需求。
隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提升與材料模擬理論的發(fā)展，越來(lái)越多的模擬手段被應(yīng)用于復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)機(jī)理表征、材料合成路徑與物理化學(xué)性質(zhì)預(yù)測(cè)等等，基于多種不同尺度的模擬軟件，高通量計(jì)算應(yīng)運(yùn)而生，短時(shí)間內(nèi)可以得到大量結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果。相比于傳統(tǒng)“試錯(cuò)法”，盡管模擬計(jì)算已經(jīng)節(jié)省了大量研發(fā)成本，但是由于超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的限制，模擬計(jì)算存在效率較低、耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)的缺點(diǎn)，例如由于合金成分的多樣性，高熵合金存在大量可能的組合，而新合金的模擬表征極為昂貴。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的出現(xiàn)為解決復(fù)雜系統(tǒng)的建模、預(yù)測(cè)和控制問(wèn)題提供了更合理的方法，鑒于數(shù)據(jù)的爆炸式增長(zhǎng)，基于已知數(shù)據(jù)的“第四范式”科研方式從“第三范式”即計(jì)算范式中分離出來(lái)，成為一個(gè)獨(dú)特的科學(xué)研究范式。

第四范式”與材料數(shù)據(jù)庫(kù)

“第四范式”科學(xué)研究存在三大難題

①多維度的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；②建模算法；③大數(shù)據(jù)分析可視化。

上述三個(gè)問(wèn)題中，多維度大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是目前最難且必須解決的問(wèn)題。多維度是指在第三范式研究過(guò)程中，企業(yè)或科研單位積累了大量數(shù)據(jù)，其中包含了實(shí)驗(yàn)與模擬仿真的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于原材料成分配比、實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù)、試驗(yàn)工藝條件及大量表征儀器的數(shù)據(jù)提取與分析；而模擬數(shù)據(jù)受模擬尺度、模擬軟件、研究方向等的影響，計(jì)算所得結(jié)果的數(shù)據(jù)類型比實(shí)驗(yàn)更為多樣復(fù)雜。

大數(shù)據(jù)是指通過(guò)各種途徑產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量極為龐大，如果將每行的數(shù)據(jù)看做是一個(gè)材料及其對(duì)應(yīng)屬性，那么數(shù)據(jù)量將由材料的數(shù)量決定。目前所知的元素種類包含上百種，根據(jù)化學(xué)式、分子或晶體對(duì)稱性、原子排列順序的不同，將會(huì)產(chǎn)生數(shù)以億計(jì)的材料種類，也就是說(shuō)隨著數(shù)據(jù)的不斷完善，數(shù)據(jù)規(guī)模將達(dá)到一個(gè)恐怖的量級(jí)，屆時(shí)需要一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)才可以支撐多條件的數(shù)據(jù)檢索與分析。

那么，沒(méi)有計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)，如何快速構(gòu)建一個(gè)私人的材料專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)呢？現(xiàn)在我們有了明確的解決方向，那就是解決數(shù)據(jù)多維問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，為此，邁高科技經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的知識(shí)沉淀，針對(duì)實(shí)驗(yàn)與模擬兩方面的材料專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建開發(fā)了獨(dú)特、靈活的生成工具。

材料數(shù)據(jù)庫(kù)快速構(gòu)建

①針對(duì)實(shí)驗(yàn):MatFusion數(shù)據(jù)管理與挖掘系統(tǒng)
MatFusion研發(fā)的一站式數(shù)據(jù)管理與挖掘系統(tǒng)幫助企業(yè)及科研單位快速形成專用數(shù)據(jù)庫(kù)，完成由實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)、經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、智能驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新模式的轉(zhuǎn)變。通過(guò)與機(jī)器學(xué)習(xí)無(wú)縫對(duì)接，挖掘數(shù)據(jù)規(guī)律，獲取“結(jié)構(gòu)-成分-工藝-性能”關(guān)系，優(yōu)化產(chǎn)品配方，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品升級(jí)。

• 快速設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)０澹?/strong>
  可根據(jù)企業(yè)材料研發(fā)的特點(diǎn)，用戶無(wú)需編寫繁瑣的代碼，通過(guò)簡(jiǎn)單拖拽即可輕松構(gòu)建專用數(shù)據(jù)庫(kù)，將企業(yè)中多個(gè)部門的數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。

• 多人協(xié)作實(shí)時(shí)共享：實(shí)現(xiàn)跨部門數(shù)據(jù)收集和管理，將企業(yè)中各個(gè)部門的離散型數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。加強(qiáng)部門間數(shù)據(jù)共享和協(xié)作的同時(shí)充分保障數(shù)據(jù)安全。

• 智能數(shù)據(jù)管理、高效檢索分析：實(shí)現(xiàn)企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)高效檢索，自動(dòng)清洗、篩選數(shù)據(jù)，利用智能化分析功能生成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表，為用戶分析、調(diào)整研發(fā)思路提供幫助。

②針對(duì)模擬：MatCloud+物性數(shù)據(jù)庫(kù)
基于MatCloud+的高通量、多尺度材料計(jì)算與篩選系統(tǒng)，得到的海量物性可以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)至物性數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)界面化的操作，快速清洗整合結(jié)構(gòu)化，多尺度構(gòu)建材料領(lǐng)域?qū)Ｓ梦镄詳?shù)據(jù)庫(kù)。模擬數(shù)據(jù)自動(dòng)入庫(kù)，無(wú)縫對(duì)接人工智能，實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)的價(jià)值提升。

• 靈活構(gòu)建“我的”物性庫(kù)用戶通過(guò)界面化的點(diǎn)選操作，將離散的海量模擬數(shù)據(jù)快速整合，一鍵開啟關(guān)鍵物性檢索，精確定位檢索結(jié)果，構(gòu)建“我的”物性庫(kù)。

• 數(shù)據(jù)可視化展示與智能分析利用智能化分析功能，用戶可靈活選擇數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和可視化展示（曲線圖、散點(diǎn)圖等），幫助用戶在線獲取直觀結(jié)果，利于科學(xué)決策。

• 數(shù)據(jù)共享、安全管理解決部門間數(shù)據(jù)共享問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)分級(jí)化管理數(shù)據(jù)，加強(qiáng)部門間協(xié)作，幫助企業(yè)或科研院所統(tǒng)一管理及充分利用科研數(shù)據(jù)。

材料數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)挖掘

機(jī)器學(xué)習(xí)已經(jīng)成為加速新材料搜索的潛在工具，由于每一種ML算法都有其適用性，因此尋找合適的ML算法在模型構(gòu)建中非常重要，從而影響預(yù)測(cè)精度和泛化能力。無(wú)論MatFusion數(shù)據(jù)庫(kù)還是MatCloud+物性數(shù)據(jù)庫(kù)，都可以無(wú)縫對(duì)接MatCloud+人工智能模塊，可實(shí)現(xiàn)多算法并行訓(xùn)練，高效挖掘數(shù)據(jù)的隱藏價(jià)值。

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