研發服務平台亮點成果獎─優等獎

使用平台：國家高速網路與計算中心「台灣杉一號超級電腦」

在我們的生活中，半導體可說是無處不在，舉凡電腦、手機、汽車中，都可以看見相關材料。而其對世界的重要性，更是讓世界強國各自角力，暗暗開打一場隱形的「晶片戰爭」。這場軍備競賽裡，許多研究團隊致力於尋找比既有材料更高效的新興量子材料，而在這趟「材料聖杯追尋之旅」中，高速運算的電腦成為了不可或缺的重要助力。

跨域協作，探索二維材料新可能

所謂的量子材料，雖是在近年才逐漸為世人所熟悉，不過，科學家們早已在此領域耕耘多年。國立中山大學物理學系特聘教授兼系主任莊豐權在2000年左右就讀博士班的階段，便投入計算物理領域，藉由計算去研究各式材料特性。也由此開始，成為了追尋聖杯的一員。

量子材料的開發，通常會透過理論、模擬、實驗合成、模型等步驟來執行，需要各領域的人才在其中貢獻所長，在模擬出可能的材料後，交由實驗團隊去實際合成、測試材料。而莊豐權所帶領的人工智慧與計算材料實驗室，主要是透過電腦程式計算去預測及模擬材料的性質，並著重於二維材料、拓撲材料與熱電材料的開發。

材料根據結構的差異，可分為零維、一維、二維、三維等不同維度。零維包含分子、奈米粒，一維則有奈米線，二維材料可以用「平面」去理解，通常在垂直方向只有一層分子，石墨烯便屬於此範疇；而所謂三維，則泛指晶體結構。

之所以將二維材料當作重點研究對象，莊豐權解釋，是為了探尋改進既有半導體的可能性。現今的半導體製程是以層狀結構進行建構，若是能研究出新的二維材料，便有機會在原有的矽材料基礎上加以改善，進而提升製造產業的競爭力。莊豐權表示，若要在晶片製作領域使用新的二維材料來取代矽，可能並不容易；但在感測器領域，這些新興二維材料就擁有許多發展可能。

掌握先機，持續耕耘拓撲材料

實驗室的另一項研究重點，在於拓撲材料的開發。2005 年，科學家發現了石墨烯具有量子自旋霍爾效應，自此，拓撲材料領域開始蓬勃發展，更成為量子電腦發展的重要契機。早在新發現提出不久，莊豐權團隊便掌握先機，迅速投入研究能量，因此能較快掌握相關現象及背後原理。

不過，掌握原理只是第一步，團隊還得進一步透過比對舊有材料及模擬新材料，來尋找、創造拓撲材料。比對舊有材料時，研究小組需在龐大的材料資料庫、數十萬個晶體材料清單中去計算、尋找具有拓撲性質的材料；而在模擬方面，則是透過電腦去生成並檢視模擬材料的物理性質，看看是否具有拓撲性質。

高通計算的散熱與效率挑戰

無論是拓撲材料或二維材料，都需要大量的模擬，在這個前提下，第一個會遇到的難題，便是電腦的散熱問題。一般人或是學校單位為了要幫電腦散熱，頂多透過電風扇、冷氣，但若是上百甚至上千台電腦同時運作，一兩台冷氣遠遠不夠用，需依靠專業規劃的冷通道及相關散熱措施。莊豐權說：「國家高速網路與計算中心（簡稱國網中心）的專業技術有辦法將上千台電腦建構在一起，成為超級電腦，有效地協助我們進行高速運算的模擬作業。」

另外一個挑戰在於，若想高速且有效率地預測新材料，需要不斷開發新的演算法，有時更要仰賴人工智慧及機器學習的方法來提升精確度。而這種種解方，背後都仰賴非常龐大的計算量。

例如團隊在進行材料結構最佳化時，需先針對不同結構進行局部最佳化，再從中找出能量最低的結構，以得出最理想結果。然而，這些研究材料常具備許多不同的元素及晶體結構，其間有無數種排列組合的可能性，若用傳統方法進行計算和驗證，十分曠日廢時。

莊豐權舉例，同樣是計算300個結構，如果用的是普通的個人電腦，可能需要長達三年的時間，但若是使用國網中心的「台灣杉一號超級電腦」，則可以縮短數百倍乃至千倍的時間。

持續合作，共探能源新可能

正因如此，高通量計算可說是新興材料研究中的重要支柱，若是沒有國網中心的專業支持，研究之路將困難重重。對此，莊豐權特別感謝國網中心「提供大量的計算資源，在科研領域提供足夠的軍備，讓研究團隊得以與世界上其他頂尖團隊競爭」。

莊豐權笑說，研究者最希望的便是「研究的東西能使用在真實的設備上」，假如團隊開發的二維材料能實際運用在手機元件上，又或是拓撲材料能協助量子電腦的傳輸，那真的是令人非常開心的事。不過，莊豐權也強調，研究成果要真正被應用是非常難的事情，身為科學家，自己能做的便是將材料性質研究透澈，進而提供工程師更好或更新的選項。

接下來，莊豐權期待繼續與國網中心保持良好的合作關係，未來，團隊會著力於開發熱電材料與儲氫材料，希望實驗結果能對國家社會有所幫助，協助解決能源問題。