2月，美国能源部（DOE）科学办公室发布报告《基础能源科学的百亿亿次需求评述》[1]，确定了面向2025年基础能源科学的前沿科学研究的百亿亿次计算需求，包括计算、数据分析、软件、工作流、高性能服务以及各种计算机需求。报告指出8个领域将因计算、模拟和先进的工具设计等的重大、持续的进展而获得变革性机遇，并详细描述了这8个领域的需求。

1、新型量子材料与化学品

设计新一代“量子材料和化学品”，需要开发新的预测理论、高效和自适应的软件，以及利用各种计算设施。3个优先研究方向及其通过百亿亿次计算到2025年实现的目标为：

（1）量子材料：实现材料性能的定量可验证预测，包括超导和磁转变温度、临界电流和拓扑保护的无耗散边缘电流。

（2）重元素科学：开发可以实现长时间模拟和大规模系统的量子力学方法；执行长时间模拟，有效捕获萃取化学的复杂pH环境。

（3）高级光谱学：利用密度泛函理论、动力学平均场理论等方法，实现理解实验的巨大改进。

2、催化、光合作用和光捕获、燃烧

催化是加速和引导化学转化的关键技术，是高效燃料生产和工业过程的关键。如果能够理解和操纵光合作用和光捕获的过程，就可能实现高效廉价的电源。在这些替代能源在经济上可用之前，燃烧将继续是运输、发电和工业热处理的主要能源转换模式。3个优先研究方向及其通过百亿亿次计算到2025年实现的目标为：

（1）催化：实现对多功能催化的端对端、系统级的描述；不确定性量化方法和数据集成方法将可解决催化材料设计的逆问题；将准确的多尺度模拟集成到能源生产和制造业的过程级描述。

（2）光合作用和光捕获：开发出能准确描述聚合物中和跨越各个电触点的电子电荷输运、通过陶瓷层和有机聚合物的热流体和冷流体的热传输的模型。

（3）燃烧：将多重物理量、多尺度的燃烧科学全面纳入到经验证的预测模拟能力中，减少行业开发高效发动机的时间。

3、材料与化学发现

理想情况下，研究人员可以创建能满足迫在眉睫需求的精确性能的新材料或化学品，从而节省大量成本。然而，材料的特性、化学品的定制合成以及材料的控制的预测建模需要建模能力、硬件资源以及用于通过计算诠释实验技术的软件的进步。新的计算工具将可以实现：①具有目标特性的新材料和化学品的计算发现；②合成这些材料和化学品的路径预测；③其动力学或热力学稳定性和降解路径的预测。到2025年，将可以模拟多相材料、分层材料和复杂化学品的合成、稳定性和降解；执行“计算光谱学”来验证模拟结果，并与特征和设施联系起来；通过获得未知结构以完善无机晶体结构数据库。

4、软物质

聚合物、表面活性剂、电解质和微多相流等软物质长期以来是许多应用的关键组成部分，包括储能和能源生产、化学分离、提高原油采收率、食品包装、芯片制造和保健品。要设计出功能性物质，软物质的复杂性提出了诸多科学挑战和计算挑战。到2025年，混合多尺度预测模拟将可为复杂多相系统提供长度尺度从10^-10到10^-4米以及时间尺度从10^-14至10⁺¹秒的详细定量信息。

5、量子系统算法的进展

复杂材料和化学问题的现实模拟由于成本高昂而无法实现。真正的预测模拟将需要开发强健的分层理论和算法来处理跨越所有相关长度尺度上的电子关联。到2025年，将为每个尺度（量子和经典）的系统和多尺度方法开发出高度并行、小规模的算法，以更好地利用百亿亿次系统；计算节点越来越复杂，将出现一种全新的应用程序编写方式，使系统运行时能够隐藏经典应用程序员的细节。

6、BES设施的计算和数据挑战

计算和数据挑战包括实验的流分析和管理，来自不同仪器的结果的多模态分析，以及长期数据管理。到2025年：

（1）流分析：将利用流分析来控制数据采集系统和仪器控制系统，利用决策支持系统优化科学成果，并将“数字孪生”与流分析相结合。

（2）多模态分析：多模态数据分析将从“一次性”研究提升为常规和严格的项目。

（3）数据管理：支持能轻松找到对即时科学任务至关重要的技术的能力和工具。

（4）加速器模拟：应用高保真模型来解决全局并行优化的需求，帮助当前和未来的项目生成强健、优化的加速器设计。

7、数学与计算机科学变革基础能源科学

数学提供了语言和蓝图，将模型转换为方程、近似值和算法，计算机科学则提供了理论、工具和方法来有效地执行最先进计算架构上的这些蓝图。到2025年，模拟方面将开发出可提高预测材料和化学建模速度和准确度的数量级数学；实验方面将提供数学算法和统一的软件环境，允许对不同成像模式和DOE设施的实验数据进行快速的多模态分析；软件方面将构建可以使对未来机器的编程变得高效、简单的工具。

8、下一代工程师