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[交流]
【交流】1984,中國科學(xué)的寒冬——國產(chǎn)量子化學(xué)程序覆滅記
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左克 根據(jù)本人半年前的文章《中國當(dāng)年的量子化學(xué)程序哪里去了?》改寫。 美國湯姆森科學(xué)論文檢索( SCI )發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示,我國的 SCI 論文數(shù)從 2004 至 2006 年起連續(xù)三年排在世界第 5 位。到了 2007 年,中國首次超過日本位居第四,與位居第三的德國和居第二的英國只差 400 篇和 4000 篇左右。 SCI 論文主要反映一個國家基礎(chǔ)科學(xué)研究的狀況,我們這樣一個科技論文大國,按道理說對科學(xué)計算軟件的需求應(yīng)當(dāng)是很大的,也應(yīng)該像美、英、德、日一樣,有大量自己開發(fā)的科學(xué)計算軟件作為支撐。但實際情況確是,目前國產(chǎn)的科學(xué)計算軟件極少,幾乎所有的計算工作都是用國外軟件完成的。是中國科學(xué)家的水平不行,還是中國科學(xué)家不重視科技軟件的開發(fā)?在回答這個問題之前,先讓我們看看國產(chǎn)量子化學(xué)程序是怎么覆滅的吧。 量子化學(xué)就是原子和分子層次的量子力學(xué),是量子力學(xué)在化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。所謂量子化學(xué)程序,就是從量子力學(xué)基本方程(非相對論的薛定諤方程,或相對論的狄拉克方程)出發(fā),通過計算原子、分子、聚合物、表面、固體材料的電子結(jié)構(gòu),預(yù)測它們的物理、化學(xué)性質(zhì)的一類科學(xué)計算程序。 廣義的量子化學(xué)計算很早就有,比如最簡單的 Huckel 理論方法,對于小分子完全靠手算都能完成。而現(xiàn)代量子化學(xué)計算則離不開計算機的發(fā)展,否則就無法完成大量復(fù)雜的計算。人類第一個非經(jīng)驗的量子化學(xué)從頭計算是 1952 完成的,當(dāng)時人們用手搖計算機算氮分子,足足搖了兩年。如今,這樣的計算在最普通的計算機上只需幾秒鐘就能完成,可見計算機對量子化學(xué)的影響有多大,F(xiàn)代的量子化學(xué)程序在 60 年代末開始出現(xiàn),但是直到 70 年代中期,也就是采用大規(guī)模集成電路的第四代計算機誕生后,才逐漸發(fā)展起來。 在當(dāng)代科技中,量子化學(xué)計算在結(jié)構(gòu)化學(xué)、藥物化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域中越來越具有重要地位,因而備受重視。幾乎每個發(fā)達(dá)國家都有本國開發(fā)的量子化學(xué)程序,至于美、英、德、日等國,由不同部門開發(fā)的此類程序往往有十幾種甚至幾十種之多(未公布的不算在內(nèi)),其中用的最多的有 Gaussian , GAMESS , ADF 等。 一些量子化學(xué)的初學(xué)者常常會有這樣的疑問:為什么沒有聽說過國產(chǎn)的量子化學(xué)程序呢? 中國的量子化學(xué)研究,早在上世紀(jì) 50 年代就開始了。以中科院院士(當(dāng)時稱學(xué)部委員)唐敖慶、徐光憲等人的研究為代表,中國科學(xué)家在這二十多年里做了大量的理論研究工作(雖然從 1966 年下半年到 70 年代初出現(xiàn)了短期的停滯),在研究過程中還針對具體問題,編寫了一些計算機程序,不過嚴(yán)格意義上的量子化學(xué)程序未見公開報道。劉若莊院士曾對我國前三十年的量子化學(xué)研究工作做了總結(jié),見: 劉若莊,戴樹珊,三十年來我國量子化學(xué)的發(fā)展概況,化學(xué)通報, 06 , 10 , 1979 。 據(jù)公開的資料,中國真正的量子化學(xué)程序是 1978 年出現(xiàn)的,比國外晚了 10 年左右,但發(fā)展得非?臁 1978 年到 80 年代初,出現(xiàn)了很多中國科學(xué)家自己開發(fā)的量子化學(xué)程序(部分公開發(fā)布的程序見附件 1 )。這些程序主要采用從頭計算, X α和半經(jīng)驗方法,用于模擬原子、分子和固體材料。有些程序即使拿到現(xiàn)在,與國外同類產(chǎn)品相比也是領(lǐng)先的(如用于稀土體系計算的 INDO 程序)。 既然中國曾經(jīng)有不少自己開發(fā)的量子化學(xué)程序,并且在這個過程中培養(yǎng)了一批人才,那么中國的量子化學(xué)研究應(yīng)該是越發(fā)展越好,成為強勢研究領(lǐng)域才對。如果它們能像國外同類程序一樣堅持發(fā)展到現(xiàn)在,不論是走學(xué)術(shù)路線還是走商業(yè)路線,都會對我國的科技事業(yè)起到巨大的推動作用。但是,經(jīng)過短暫的輝煌后,從 1984 年開始,國產(chǎn)量子化學(xué)程序在“科學(xué)的春天”里銷聲匿跡了;更確切地講,國產(chǎn)量子化學(xué)程序是和眾多的高科技項目一起,集體犧牲的。據(jù)網(wǎng)上查到的一些材料,在這期間遇難的還有: 1984 年,北京大學(xué)開發(fā)的國產(chǎn)靜動力分析程序,被引進(jìn)的德國程序淘汰(見附件 2 ); 1984 年,運十停飛; 1984 年,半導(dǎo)體和通用電路研發(fā)項目全部停止,改為單純引進(jìn); 1984 年,停掉了個人計算機和小型計算機研制項目,改為進(jìn)口組裝; …… 另外,在 1984 年的 1 月和 10 月,中美合資北京吉普、中德合資上海大眾先后開業(yè),提前敲響了中國汽車工業(yè)的喪鐘。 以上列出的都是民用項目和基礎(chǔ)研究項目。比這稍早,還有大量的軍事項目下馬。不過軍事涉嫌“不和諧”,這里略去不講。 如果說,一個量子化學(xué)程序消失是量子化學(xué)界的個案,一批量子化學(xué)程序消失是化學(xué)界的個案,那么,中國各種高科技項目在 1984 年集體消失,還能用“個案”來解釋嗎?這一個個偶然中,肯定隱藏著必然因素。那么國產(chǎn)量子化學(xué)程序消失的原因究竟是什么呢? (一)錯誤的科技政策 由于量子化學(xué)程序廣闊的應(yīng)用前景和對計算機速度的依賴性,使得國外著名的程序,幾乎都受到計算機公司的財力和技術(shù)支持,甚至提供免費的計算機進(jìn)行測試。比如 IBM 支持過 GAMESS 、 HONDO 、 MOLCAS 、 Gaussian 、 Alchemy-II 、 AMPAC 、 MOPAC 和 Mulliken ,而當(dāng)年著名的 UniChem 程序(包括 MNDO 、 Dgauss 、 CADPAC 等),就是 Cray 計算機公司投資開發(fā)的。相比之下,中國年輕的量子化學(xué)程序卻沒有這樣的機遇。原因就是 1984 年自廢武功式的科技政策,研制計算機的科研隊伍被解散。中國計算機業(yè)缺席,使得國產(chǎn)量子化學(xué)程序失去了可靠的運行和測試平臺,缺少必要的硬件技術(shù)支持,凡是用國產(chǎn)計算機語言編寫的程序,自然就死掉了。由于技術(shù)封鎖,當(dāng)年引進(jìn)的外國計算機都不是最好的(何況很多實驗室連這樣的計算機也買不起),中國的量子化學(xué)家不僅沒有必要的硬件技術(shù)支持,也沒有國外計算機廠商提供的經(jīng)費資助。那些采用國際通用計算機語言編寫的量子化學(xué)程序,即使移植成功,也很難進(jìn)行優(yōu)化,導(dǎo)致在這些外國計算機上跑不快,不如引進(jìn)的 Gaussian 程序好用,用的人自然就少了。 (二)崇洋媚外的社會風(fēng)氣 當(dāng)時國內(nèi)上上下下存在著一種崇洋媚外的風(fēng)氣,對洋技術(shù)、洋理論的無限美化,國產(chǎn)技術(shù)被貶為垃圾。而錯誤的科技政策(其根源也是崇洋媚外),又為崇洋媚外提供了事實依據(jù),造成國產(chǎn)程序沒人信,沒人用。某些人放著國產(chǎn)的靜動力分析程序不用,寧可進(jìn)口昂貴且結(jié)果不可靠的外國程序(見附件 2 ),也是由于這個原因。 (三)科研中的急功近利 1984 年鄧小平成功訪美后,國家的科技政策從自主研發(fā)變?yōu)榧夹g(shù)引進(jìn)。國際著名的量子化學(xué)計算程序 SCF-X α -DV 和 Gaussian 也是在這一時期進(jìn)入中國的。當(dāng)時的 Gaussian 還是個學(xué)術(shù)程序,遠(yuǎn)不像今天這么保守,只要花很少的一點錢,就能買到源程序。如果中國的科學(xué)家們通過研究和消化 Gaussian 的算法,完善自己的程序,那么國產(chǎn)的量子化學(xué)程序還是能夠得到快速發(fā)展的,這也正是 Gaussian 程序引進(jìn)者的初衷。但除了個別單位以外,這種情況并沒有出現(xiàn)。原因就是科技界的急功近利。由于做應(yīng)用型計算遠(yuǎn)比程序開發(fā)出文章快,對研究人員的理論功底要求又比較低,一些過去從事量子化學(xué)研究的人員放棄了程序開發(fā),僅僅滿足于引進(jìn)國外軟件后作應(yīng)用型計算。這造成從事算法和程序開發(fā)的科研人員越來越少。 (四)決策者沒有真正重視科學(xué)技術(shù) 進(jìn)入八十年代后,中國科技研發(fā)經(jīng)費占國內(nèi)生產(chǎn)總值的比例,從七十年代的 2% 以上急劇下 降,1984 年更是降到0.6% 以下。本人在兩年前的文章《輝煌的毛澤東時代—— 中國計算機事業(yè)回顧》中,對此已有披露。這里再舉一例。很多人都知道著名的“863 計劃”,說是在1986 年3 月,王大珩、王淦昌等4 位科學(xué)家聯(lián)名向中央遞交了一份重要報告,很快得到某領(lǐng)導(dǎo)人的批示。在正史里,“863 計劃”都是作為某人的政績來講的,而且據(jù)說這個批示(而不是4 位科學(xué)家的聯(lián)名報告)“為我國高科技的發(fā)展指明了方向”。但實際上,“863 計劃”是一些有良知的科學(xué)家在中國科技危難之際發(fā)出的溫和警告,當(dāng)然最后是皆大歡喜:既為一些重點高科技項目爭取到了經(jīng)費,又照顧了領(lǐng)導(dǎo)的面子。但是那些被排除在高科技項目以外的基礎(chǔ)科學(xué)研究,只好聽天由命了。 以上四條,對于其他消失的中國科技項目來說,也是適用的。 雖然“造船不如買船,買船不如租船的洋奴哲學(xué)”在文革以后成了正統(tǒng),但大量“中國出口一臺 32 美元的 DVD 只能得到 1 美元利潤”一類的實踐陸續(xù)曝光,不斷檢驗了洋奴哲學(xué)的錯誤。如今,“自主研發(fā)”越來越成為中國科技界的共識。在這種背景下,據(jù)說國家的科技政策也有了調(diào)整,但也有渾水摸魚的,例如我們都知道的鐵道部“自主研發(fā)”的“恥辱號”列車,就好比有人買到了 Gaussian 源代碼就稱 Gaussian 是“國產(chǎn)量子化學(xué)軟件”一樣可笑(我絲毫不懷疑龍永圖們有這種本事),至今也沒人追究。 令人欣慰的是,經(jīng)過中國科學(xué)家的努力,最近這些年陸續(xù)開發(fā)出幾個在國際上有一定影響力的量子化學(xué)程序,國家也有意對這些程序進(jìn)行重點扶植。在看到已有成果的同時,我們要牢記當(dāng)年的教訓(xùn),洋奴哲學(xué)的影響必須肅清。 附件 1. 早期的國產(chǎn)量子化學(xué)程序清單 據(jù)不完全統(tǒng)計,從 70 年代末至 80 年代初,公開發(fā)表的國產(chǎn)量子化學(xué)程序如下: 1. 半經(jīng)驗程序(一種計算速度較快,但精度較低的量子化學(xué)計算程序)。 1.1 大連工學(xué)院(現(xiàn)大連理工大學(xué))開發(fā)的半經(jīng)驗 PPP/CI 程序 PPP-SCF-CI-1 ,用于有機分子激發(fā)態(tài)的計算。程序用 ALGOL-60 語言編寫,運行于國產(chǎn) TQ-16 機。 參考文獻(xiàn): 程侶柏,李宗石,孫育賢,分子軌道理論在染料化學(xué)中的應(yīng)用 -IV 用 P.P.P.-SCF-CI 法計算簡單有機化合物的吸收光譜,大連工學(xué)院學(xué)報, 2 , 51 , 1980 。 1.2 中國科學(xué)院上海冶金研究所和中國科學(xué)院上海藥物研究所開發(fā)的 HMO 程序。 參考文獻(xiàn): 謝雷鳴,吳吉安,小型計算機的 H ü ckel 分子軌道 (HMO) 計算方法會話程序,化學(xué)通報, 4 , 14 , 1981 。 1.3 北京大學(xué)徐光憲、黎樂民等人開發(fā)的半經(jīng)驗 INDO 程序,可用于稀土化合物計算。 參考文獻(xiàn): 任鏡清,黎樂民,王秀珍,徐光憲,適用于計算鑭系元素化合物電子結(jié)構(gòu)的 INDO 方法,北京大學(xué)學(xué)報 ( 自然科學(xué)版 ) , 3 , 30 , 1982 ; 3 , 49 , 1982 。 2. 從頭計算程序(計算速度較慢,但精度較高的量子化學(xué)計算程序,由于計算過程中不借助經(jīng)驗參數(shù),故名“從頭”)。國產(chǎn)從頭計算程序數(shù)量較多,但主要從兩大程序分別發(fā)展而來,即北大的 SCFMO 程序和清華的 MQAB 程序。其中,后者在我國曾經(jīng)廣泛使用,影響很大,對量子化學(xué)從頭計算在我國的發(fā)展起了重要作用。最近還有人在用這個程序。見: 王遜博士畢業(yè)論文, Fe-Cr-Mn-C-B 系合金的電子、原子層次合金設(shè)計理論研究及其應(yīng)用,大連海事大學(xué), 2003 。 2.1 北京大學(xué)韓玉真開發(fā)的 Hartree-Fock SCF 程序。這個程序用中國自己開發(fā)的計算機語言 BD-200 編寫,運行于國產(chǎn) DJS-18 計算機上。 1978 年第一次發(fā)布,可能是最早的國產(chǎn)從頭計算程序。 參考文獻(xiàn): 韓玉真 , 量子化學(xué)從頭計算程序 , 全國第二次物質(zhì)結(jié)構(gòu)會議福州文集 , 1978 。 韓玉真,以高斯函數(shù)為基組的自洽場分子軌道從頭計算程序,北京大學(xué)學(xué)報 ( 自然科學(xué)版 ) , 3 , 19 , 1982 。 2.2 北京大學(xué)徐光憲、黎樂民、王德民等人開發(fā)的 Hartree-Fock SCF 程序 SCFMO 。 參考文獻(xiàn): 王德民,鄧?yán)そ,朱芝仙,韓玉真,施乃,吾榕之,黎樂民,徐光憲,有機分子的自洽場分子軌道從頭計算的通用程序和 C,H 基組的選擇,高等學(xué);瘜W(xué)學(xué)報, 2 , 251 , 1982 。 一年后,他們又把程序的計算速度提高十倍,并節(jié)省了內(nèi)存。打個比方,在同一臺計算機上,舊程序最大能處理丙烷( C3H8 ),新程序能處理辛烷( C8H18 )。 參考文獻(xiàn): 童建昌,朱芝仙,王德民,量子化學(xué)從頭算程序設(shè)計中的一些技巧,北京大學(xué)學(xué)報 ( 自然科學(xué)版 ) , 2 , 63 , 1983 。 2.3 清華大學(xué)和中科院上海冶金所吳國是、廖沐真、劉洪霖等人開發(fā)的 Hartree-Fock 程序 MQAB 。程序從 1978 年開始編寫, 1980 年發(fā)布第一個版本 MQAB-80 。 MQAB 程序用國際流行的 FORTRAN IV 語言編寫,具有計算效率較高、易移植、對硬件要求低和易讀易懂的優(yōu)點。 參考文獻(xiàn): 吳國是,廖沐真,劉洪霖,量子化學(xué)從頭計算 FORTRAN IV 通用程序 MQAB-80 ,清華大學(xué)學(xué)報 ( 自然科學(xué)版 ) , 2 , 15 , 1981 。 吳國是,廖沐真,劉洪霖,量子化學(xué)從頭計算方法,清華大學(xué)出版社, 1984 。( MQAB-80 程序培訓(xùn)教材) 蘭州大學(xué)揭草仙通過對 MQAB-80 引入分子局部對稱性,進(jìn)一步提高了計算速度。 參考文獻(xiàn): 揭草仙,應(yīng)用分子局部對稱性提高 ab initio 程序運算速度,蘭州大學(xué)學(xué)報 ( 自然科學(xué)版 ) , 2 , 169 , 1984 。 蘭州大學(xué)杜奇石和彭周人在 MQAB-80 程序基礎(chǔ)上,開發(fā)了用于計算 Hellmann-Feynman 力的程序 ABHF 。 參考文獻(xiàn): 杜奇石,彭周人, Hellmann-Feynman 力的 ab initio 計算及在化學(xué)鍵研究中的應(yīng)用, I. 理論與計算,化學(xué)學(xué)報, 9 , 843 , 1984 ; Hellmann-Feynman 力的 ab initio 計算及在化學(xué)鍵研究中的應(yīng)用 II.AB INITIO FORTRAN IV 通用程序 ABHF ,蘭州大學(xué)學(xué)報 ( 自然科學(xué)版 ) , 4 , 112 , 1983 。 2.4 通過對 MQAB-80 程序進(jìn)行改進(jìn),中國科學(xué)院上海藥物研究所創(chuàng)始人嵇汝運院士和陳凱先院士等人開發(fā)了量子化學(xué)從頭算通用程序 MQM81 和 MQM82 ,以及支持贗勢從頭計算的程序 MQMMP ( MP83 ),可用于一直到氡元素的各類分子計算。 參考文獻(xiàn): 陳凱先,劉洪霖,吳國是,廖沐真,嵇汝運,量子化學(xué)贗勢法半從頭計算程序 MQMMP 的設(shè)計,分子科學(xué)學(xué)報, 1 , 65 , 1981 。 陳凱先,嵇汝運,劉洪霖,陳念貽,吳國是,廖沐真,大分子的量子化學(xué)從頭計算技術(shù)及其程序化,分子科學(xué)學(xué)報, 1 , 103 , 1982 。 2.5 中國科學(xué)院上海藥物研究所嵇汝運和陳凱先等人開發(fā)的基于從頭算法和半經(jīng)驗 CNDO/2 方法的分子靜電勢程序,用于藥物分子構(gòu)效關(guān)系的研究。 參考文獻(xiàn): 《嵇汝運論文選集》編輯小組,《嵇汝運傳記》。 http://www.dddc.ac.cn/group/ryji.htm 3. 密度泛函程序的前身—— X α程序。 3.1 國防科技大學(xué)趙伊君和張志杰編寫的 X α程序,用于計算非相對論性及相對論性原子結(jié)構(gòu)。 參考文獻(xiàn): 張志杰,趙伊君,用優(yōu)選法確定 X α理論中交換參數(shù)值,國防科技大學(xué)學(xué)報, 03 , 21 , 1979 。 趙伊君,用 X α法計算非相對論性及相對論性原子波函數(shù)時的一些方法問題, 04 , 19 , 1980 。 張志杰,趙伊君,原子的 X α波函數(shù),原子能出版社, 1983 。 3.2 吉林大學(xué)江元生(現(xiàn)在南京大學(xué))等人在國產(chǎn) TQ-16 計算機上編寫了 SCF-SW-X α程序。 參考文獻(xiàn): 于微舟,劉永振,張明瑜,馮果忱,江元生, SCF-SW-X α方法計算多原子分子的能級和電離能,科學(xué)通報, 23 , 1471 , 1981 ;高等學(xué);瘜W(xué)學(xué)報, 4 , 516 , 1982 。 [ Last edited by mingdong on 2009-10-26 at 17:13 ] |
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