摘要：基于平面波的第一原理计算方法是目前材料科学中最常用的方法,但传统的CPU并行计算遇到可扩展性瓶颈,无法改善其求解的绝对速度。系统地介绍了利用图形处理器(graphic processing unit,GPU)加速技术开发的大规模第一原理材料计算软件:Ultra-Mat。该软件对第一原理平面波算法进行了系统的算法设计和软件实现:(1)通过采用并行方案,实现了快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)的GPU局部操作;(2)设计了基于数据压缩的混合精度算法,显著减少了电子结构计算部分的MPI(message passing interface)通信;(3)完成了逾90%代码的GPU实现,目的是最大限度地减少中间流程,以避免CPU-GPU切换引发的数据传输,这是GPU应用中公认的性能瓶颈。测试结果显示Ultra-Mat具有很好的计算性能,对于512原子的GaAs系统,在电子结构计算部分,使用256 GPU卡相比4096 CPU核心有18倍的加速。