机器性能：IBM-sp3并行机的主要特点是可以方便地进行SMP和MPI方式的并行计算，这种并行计算对科学研究与工程设计是非常重要的。可以说没有并行计算机，许多科研项目是不能进行的。此外，计算能力的提高也使我校各学科能够对较大规模的问题进行数值模拟。到目前为止，IBM-sp3并行机上共有用户60多个，运行计算程序总CPU时间已经超过70万小时。

使用情况：

生命科学学院

（李松岗小组）"全基因组鸟枪法测序数据处理新算法及软件开发"。 测序是目前获取生物基因组基本数据的重要方法，对于生命科学的进展和生物资源的争夺都有非常重要的作用。全基因组鸟枪法测序是目前最先进的测序策略。全基因组鸟枪法测序最明显得特点就是数据量大，没有类似于IBMSP的超级计算机是根本无法处理的。同时，为了提高效率，程序的并行化也是必须考虑的。从这一角度看IBM机器对本项目的开展有着无可替代的重要性。项目于4月份正式开始，目前进展顺利。现在已完成的有有关纠正测序错误的算法与编程，以及纠正错误后拼接程序的框图设计。初步测试表明效果良好。整个项目预计在半年内完成，将用于我国杂交水稻完成图的工作。预计可发表方法学文章一篇，并可在水稻完成图论文中占有一席之地。

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力学与工程科学系

1.（陈十一，罗雄平）颗粒在湍流边界层中的运动-北京沙尘暴研究。本项目主要研究沙尘大小颗粒在大气湍流边界层中的运动情况，旨在模拟北京地区沙尘暴的传播状况，还可模拟城市污染物的传播和爆炸物的发散情况。程序的并行化部分中流场的并行已完成，颗粒流的并行即将结束。
2. （黄琳小组）结构奇异值的并行算法研究， 现已完成原有程序由Linux Cluster到IBM RS/6000 SP3的移植工作，进一步的工作正在进行中，主要是对原有算法的调整，以便能更适合IBM RS/6000的体系结构而达到更高的性能，最大限度地发挥SP3体系结构的计算能力。
3. （陈耀松小组）用PowerFLOW(Lattice-Boltmann方法)计算了新型北京吉普的外空气动力性能。16-cpu，花160余小时完成计算，成果数据约 4G。这是计算汽车最先进的方法，Benz、BMW 都用它，德方代表亦建议上海汽车集团采用此法。目前只有北大IBM机的软硬件能够进行这类计算。由于它能直接算出噪声,'719'所正在为此申请经费。
一篇关于用Lattice-Boltmann方法计算汽车的论文已投学报。
4.（陈耀松小组）歼击教练机、加油机的全机气动力计算。如今我们已经完成歼击教练机一个'工况'(M=0.8)的 计算，与试验数据对比，委托方认为可以接受，要求我们马上计算M=1.35（ 超音速）,而我们打算先改进精度再换工况。这次并行计算要求跨节点，是IBM的技术人员帮我们跨了节点（设置跨节点本该付费）才成行。根据我们的计算结果，航天科技委主任表示将建议将一项国内无单位敢于承担的课题委托给北大力学系。
5.（陈耀松小组）配合空气动力学实验室承担的北京博物馆气动力载荷测定进行数值模拟。现已完成前期数据处理，正排队等待上机。
6.（陈耀松小组）将气体化学激光反应计算从PC转入IBM。我们的PC内存有2G，可以同时计算20余个化学反应（限二维流），现在要求计算更多化学反应的三维流动，只有靠我们的IBM，不但机器容量大，而且还有计算所需的软件。

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计算机系

一、（余华山小组）分子化学过程模拟(amber)的并行化技术。此问题是化学学院针对其所使用的MPI程序在集群上并行效率不高而提出来的。amber问题是一个典型的多体问题，其计算模型在分子化学和天体物理等科学领域有代表性。该计算项目的目标是
1． 对amber中的计算并行性特征进行研究，发现影响并行效率的因素
2． 针对这一类问题，研究其并行计算模型及实现技术：MPI、并发线程、MPI+并发线程？
3． 实现一个高效率的amber并行程序
4． 对不同并行技术下的实验结果进行分析比较，为SMP系统上的并行程序开发提供指导
5． 课题组一直从事高性能程序设计语言HPF的并行编译器p_HPF研究，为p_HPF的优化和扩充提供决策参考数据。
IBM机器对项目的意义：
1． 在单节点上可提供16CPU，提供了良好的测试平台，便于测试大规模并发线程计算模型的并行效率
2． 提供了开发不同并行模型下应用程序需要的工具：MPI、f_pThread
3． 提供了一个良好的测试平台，便于比较进程、线程对并行效率优化的影响，为并行编译的优化策略提供了实验数据的依据
项目进展：已经完成MPI、f_pthread、MPI+f_pthread几种模式下的并行程序开发，从测试情况看
1． MPI的并行效率与预期结果相同，在超过12CPU情况下会出现并行效率下降的情况
2． f_pthread和MPI+f_pthread模式下的并行效果并不理想，其测试结果难以解释，需要进一步寻找原因

二、（张立昂小组）973项目《信息技术中的应用理论与高性能软件》子课题《基于S3理论的器件参数提取与优化》
项目的背景及意义简介
本子课题由北京大学微电子所吉利久教授负责，计算机系与微电子所承当。子课题重点解决的问题是基于S3(Search Space Smoothing)理论，探索VLSI设计中模型参数提取的全局求解算法。半导体器件模型是构成VLSI电路方程的主体，模型参数的精确程度直接决定着VLSI设计的精度。由于半导体器件已经进入深亚微米阶段，描述器件性能的模型函数已十分复杂，U.C.Berkeley提出的BSIM3v3模型中包含了近100个模型参数，其函数形式包含有指数、分式、根式、多项式,由其组成参数提取优化目标函数十分复杂，在将近100维的模型参数空间中构成一个非凸曲面，存在大量局部极小点，目前尚无理想的算法。BSIM模型作为工业标准，是VLSI生产线的设计基础，BSIM模型的参数提取是VLSI生产线设计中不可缺少的环节。因此，本课题不仅具有重大的理论意义，而且具有非常重大的实际意义和十分良好的应用前景。
IBM机器对项目的作用
验证和比较各种设计方案和算法的实际效果是项目研究必不可少的环节，计算量十分巨大。I-V模型有40个参数，非线性很强。对每一组数据计算一次，在P4微型机上需要5-6个小时，甚至更长。对每一个设计方案和算法稍做修改，都要做多次这样的计算，进行比较、分析和筛选。微机已经难以承担这么大的计算量。使用IBM并行机，约半小时可完成一次计算，提高效率约10倍，大大地加快了项目的进度，也减轻了研究人员的工作量，对项目研究起了很大的推动作用，且是不可替代的
项目的进展情况
项目时间：2001年至2003年
已基本完成对Vth模型的参数提取，当前主要研究I-V模型的参数提取。
已发表论文3篇，获专利一项：
ASICON'2001录用
1． "Parameter Extraction of Threshold Voltage Model of BSIM3V3",
Cui Peng, Huang Jing, Zhang Li'ang, Ji Lijiu, Gu Jun
2． "Parameter Extraction of BSIM Based On S3 Theory",
Dou Xunjin, Zhang Lingxiao, Yang Jie, Ji Lijiu, Gu Jun
3. "MOSFET parameters extraction in VDSM ULSI CAD with a parallel-programming strategy",
Min Jiang, Bin Yang, Liang Zhang, Lijiu Ji, Y.Y. Wang , Jun Gu

专利：
"BSIM3V3阈值电压模型参数提取方案"

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物理学院

一、（刘川小组）"强子及其相互作用的格点量子色动力学研究"（A Lattice Quantum Chromodynamics Study of Hadrons And Their Interactions）。
本项目拟用非对称格点上的改进胶子作用量和改进费米子作用量及数值模拟方法，研究强子态的谱性质及强子之间的相互作用。这一研究能够使我们加强对强子性质、混合、散射和强子物理中的非微扰特性的理解，为这些性质提供了一个基于量子色动力学的解释。在实验上这将有利于对已知强子性质的进一步研究和对新强子态的寻找。IBM机器为我们进行大规模并行模拟的开发工作提供了第一舞台。
项目背景及意义简介：量子色动力学（QCD）目前被认为是描写强相互作用的基本理论，它是夸克、反夸克和胶子场的一个规范理论。因此，QCD的研究无疑会深化人们对强子世界的认识并提供最重要和直接的理论指导。描写强相互作用的耦合参数是比较强的，所以QCD作为一个规范理论具有明显的非微扰特性，这一点在低能区（大约1GeV以下）更为明显。因此研究QCD的低能行为必须采用非微扰的研究方法，而格点QCD就是目前国际上公认的、从第一原理出发的研究非微扰QCD最有效的方法之一。格点QCD是QCD的一种非微扰的表述形式，它计算的主要手段是利用计算机的Monte Carlo数值模拟。近年来随着计算机计算能力的飞速发展，格点QCD的发展无论在理论上还是在数值模拟上都有了巨大的进步。目前关于基本粒子性质的总结（Particle Data Book）中已经引用了一些格点QCD的结果。历史上，由于受到计算机的限制，我国的格点QCD的发展比较晚，特别是在数值模拟方面。近年来，由于格点QCD理论方面的进展和国内的计算机设施的改善，使得目前开展系统的格点QCD的理论和数值模拟研究具备了可能性。利用国内现有的计算机可以进行许多有理论和实际意义的格点QCD的数值模拟计算。
本项目就是要在以往工作的基础上，利用国内现有的计算设施进行格点QCD的理论和数值研究。主要的研究对象是各种强子态（既包括传统的强子如 ?、K、? 介子，也包括新强子态如胶球、混杂态等）以及它们在低能时的非微扰的相互作用（如散射长度、相移等）。由于在中低能区强子之间的相互作用很强，在理论上一直没有很好的研究手段。在手征极限下可以利用手征微扰论，但能量稍高就不行了。人们也尝试利用各种模型来进行计算，但是这些模型究竟在多大程度上反映了QCD的特性是很难估计的。格点QCD可以提供这样一个理论框架，从QCD出发直接计算强子－强子的散射长度。这一计算是通过计算双强子态的能量与两个单强子态的能量之差，从而可以导出两个强子的散射信息。原则上，这一方法还可以用来计算强子的弹性散射相移并与相关实验进行比较。所以，利用格点QCD计算强子－强子的散射，从而深入理解它们之间的相互作用机制具有重要的理论意义。在实验方面，这也有助于我们更好地区分不同的强子态和理解它们的混合，对于新强子态的实验寻找具有理论指导意义。这些理论研究具有重要的实验背景。目前北京正负电子对撞机上正在产生世界上最大的J/Y数据，而J/Y的衰变将为研究较轻的强子和它们的相互作用，澄清这一能区中许多强子物理中目前尚未解决的问题提供依据。我们的格点QCD研究，也将为这一计划提供必要的理论补充。综上所述，从国内外的理论发展和实验需要，本项目的研究不仅是可行的，而且也具有重要的理论和现实意义。
项目研究方法和IBM机器对项目的作用：我们的研究方法主要是依靠格点QCD的数值模拟方法。我们将利用非对称格点上的改进胶子作用量（我们已经利用这个作用量进行了胶球谱的计算）和改进的费米子作用量（我们曾利用这个作用量进行了强子谱的初步计算）对强子态和它们之间的相互作用进行较为系统的研究。
在中小型机器上我们只能致力于淬火近似下规范场组态的产生和改进费米子作用量模拟程序的开发。由于淬火近似对计算结果的影响还不清楚，这便在很大程度上影响了我们对结果可信度的分析。 另一方面，机器力量的限制会使模拟过程只能在小格点上进行，同时无法做到离临界状态较近的测量。因此，能够用于大型模拟计算的计算机资源便成为迫在眉睫的需要。
这样，IBM高性能计算系统的引进正好满足了我们要在大规模并行计算的基础上进一步研究强子物理、进行更可靠的物理量测量的要求。首先，基于IBM机器的结构特点，将格点进行适当分割，处理好各进程之间通讯的问题，从而可以使我们模拟更大格点上的量子场，并且可以进行更接近于临界区域的测量。这将显著降低理论与系统误差，得到更趋于真实物理结果的测量值，给理论以检验、试验以指导。进一步，我们可以产生非淬火近似的规范场组态，对这些非淬火近似的规范场组态进行比较系统的研究。为我们的淬火近似下的结果给出必要的理论修正，这对于我们的计算精度是个质的飞跃。
因此，IBM机器的加盟，使我们的格点QCD项目得到极大的拓展，预期将会对强子谱、散射的散射长度、散射相移等强子物理中重要的物理量有一个更好的了解。所以IBM机器对本项目的重要性是显而易见的，它为我们提供了高效、强大的研究工具。
项目的进展情况：由于使用时日尚短，目前我们的项目程序仍处于调试阶段，但不久便会进入正式运行阶段，相信很快就会有令人振奋的结果出来，为此，我们加倍努力着。

二、（叶林辉）973重点科研项目：纳米结构与材料性质研究。
该项目利用第一性原理并行的数值计算，对纳米量级的材料的物理化学性质进行研究。我们利用VASP程序包，和自编的辅助程序，对碳纳米管的电子和弹性性质进行了几个月的计算，已经得到非常好的结果。目前正在将计算结果写成文章，预计将发表于Physical Review等国际著名期刊。
该项目的所有计算几乎都在北大的 IBM RS6000 并行计算机上完成。同时我们发现，VASP程序包在 RS6000 上的并行效率非常高，计算性能令我们十分满意。我们也对 RS6000 管理委员会的工作非常满意。

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化学学院

一、（黎乐民，杨伟涛，卞江小组）密度泛函方法及应用
项目背景及简介：本项目为国家基金委杰出青年基金(B类)项目。也是北京大学稀土国家重点实验室的主要研究方向之一。本项目的主要目的是发展精确、高效的量子化学计算方法，为新材料的设计和研究提供理论方法和计算工具。项目的具体内容包括：（1）线性标度算法的发展；（2）大规模并行计算方法的研究；（3）QM/MM算法的发展和应用；（4）材料体系的理论研究。
IBM机器对本项目的意义： 北大科学与工程计算中心的IBM SP3超级计算机，为新算法的调试和应用提供了一个极佳的、标准化的工作和测试环境。由于本项目中涉及并行算法的发展工作，对于计算机的并行环境有比较高的要求，因此IBM机器的标准环境对于本项目的进展具有不可替代的作用。
项目的进展情况：我们从去年下半年开始在IBM上建立账户，并完成了程序的移植和调试。目前正在进行程序的性能检测。

二、（来鲁华小组）
本实验室承担了国家863、973及自然科学基金等项目，主要研究方向为蛋白质结构、功能、作用网络研究，以及基因组水平的药物分子设计研究，用许多大计算量的工作亟待完成。我们主要使用IBM的SP3计算机进行了以下工作：

1． 蛋白质功能预测以及蛋白－蛋白相互作用研究（刘世勇，博士研究生）
随着人类基因组计划的完成，人们获得了大量的基因组尺度的数据；随着结构基因组计划的启动并实施，高质量的蛋白质3D结构数据进一步被搜集到PDB数据库里；还有令人瞩目的蛋白质组尺度上的酵母双杂交实验，进一步丰富了模式生物在基因组尺度上的蛋白－蛋白相互作用数据。这些数据，为人们理解蛋白质功能奠定了坚实的基础。人们逐渐意识到，必须发展快速而且精确的算法，利用已知的蛋白序列或结构数据对未知的蛋白质功能进行预测。对此，我们拟使用gramm程序对目前酵母全基因组所预测出的所有蛋白质进行对接研究，以期望从中得出蛋白－蛋白相互作用网络。因为该项目需要完成基因组尺度的蛋白－蛋白相互作用的计算，计算量相当大，IBM机器对于项目的进展起到了加速作用，使得基因组水平的大规模计算成为可能。目前我们已经完成了两个单个蛋白与整个基因组相互作用的计算，但仍需寻找合适的策略以完成整个基因组尺度上的相互作用研究。

2． 小肽的分子动力学模拟（陈浩，博士研究生）
蛋白质如何从一级序列折叠到特定的三维空间结构一直是结构生物学中一个十分重要的也是目前仍然尚未解决的问题。随着人类基因组计划的完成和测序技术的逐步完善，以研究蛋白质结构和功能为主旨的蛋白质组学日益受到人们的重视。本项目拟采用分子动力学模拟的方法，研究小肽的折叠和聚集过程。由于分子动力学模拟计算量十分巨大，IBM机器的使用好坏直接影响项目的进展情况。目前所用计算程序CHARMM在SP3平台上编译已经通过，但进行并行计算时在并行的效率和程序的稳定性方面还有不少问题需要解决。

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地球与空间科学学院

一、"9.21"集集地震的震源过程、余震序列及强地面运动研究（陈晓非，张伟）。
项目的背景及意义简介：1999年9月21日发生在我国台湾地区集集镇的 Ms7.6级的强烈地震及随后的一系列强余震造成了2400余人死亡、11000余人受伤、10000多套房屋受损，地震造成的直接经济损失达118 亿美元[1]。这次地震所造成的损失之惨重、灾害波及范围之广堪称台湾地区本世纪以来最为严重的自然灾害之一。
台湾"9.21"集集地震在地震学研究上具有十分重要的科学意义。这一地震不仅在包括我国大陆地区CDSN在内的全球数字化宽频带台网上有完整的记录，而且在台湾岛内有大量的高质量的地震观测记录。为地震学家深入研究地震发生的破裂动力学过程、物理学过程、强地面运动的规律、地震活动性与地质构造活动、以及地壳形变与应力场的状态等科学问题提供了绝佳的机会。可以肯定地讲，对集集地震的深入解剖研究将推动当前地震学的研究水平，有望取得具有世界领先水平的突破性研究成果。
具有坚实理论基础的地震预报一直是地震学家为之努力的重要科学目标之一。目前由于我们对地震的物理过程、成因尚缺乏深入、细致的了解，现阶段还很难从根本上解决地震预报这一科学难题。然而，利用收集的各种观测资料对以往发生的地震（尤其是对典型的大地震）进行深入解剖研究，将不断深化我们对地震的物理过程及其成因的认识，为最终解决这一科学难题奠定坚实的基础。因此，通过对经典震例进行深入、系统的解剖研究来验证以往对地震的认识，从而得到新的认识，并在未来的地震中再检验、再认识，如此不断的科学探索是地震学的主要研究方式，也构成了地震学的重要研究内容。如果说地震学研究中有资格成为经典震例的地震除了震级较大之外，其主要特征是具有相对完整的、较高质量的观测数据以及对该震区地质构造背景的了解，那么发生在世纪之交的台湾"9.21"集集地震无疑将是20世纪最重要的震例，为全世界地震学家在新世纪进一步探索地震成因及其规律寻求科学上的突破提供空前的机遇与挑战。可以预计，在今后十年乃至更长的时间内，作为重要震例的集集地震将一直是地震学的研究热点之一。因此，这一研究项目的立项是十分必要的与及时的，对促进我国地震学基础理论研究、提高地震学研究水平具有重要的意义，并有望在一些重要问题的研究上取得具有突破性的进展。
研究目标：利用极为丰富的集集地震资料，以我们在地震学理论、资料解释方面的积累为基础，采用先进的研究方法与技术路线深入、细致地研究该地震的孕震过程、触发机制、震源破裂的动力学过程、以及强地面运动的规律，以进一步深化我们对地震成因的认识，提高我国地震学基础理论研究水平，促进基于坚实物理基础的地震预报（物理预报）研究的发展。
IBM机器对项目的作用：采用三维有限差分方法，计算任意的三维介质模型中的Green函数。描述地震波在地球介质中传播的Green函数的计算是地震学研究中一个十分重要的课题。在本项研究计划中，无论是地震震源破裂过程反演问题及高阶矩张量反演问题，还是近场强地面运动问题的研究都需要较为精确的Green函数。
研究计划：2002年1月 至 2005 年 12月。
目前的工作进展：进一步完善与改进各种新方法的计算程序；继续编制并调试计算地震波传播问题的三维有限差分计算程序；

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数学科学学院

一、（张平文小组）
1). 复杂流体的多尺度模型。由于采用的方法是宏观与微观方程的耦合，宏观量的获得是通过微观量的统计平均得到的。因为统计平均需要非常大的样本数量，所以计算量非常大，而且计算过程是天然并行的，将来必要时还要用到并行计算。
我们在原来Oldroyd-B剪切流动模型的HMM算法的基础上，将其扩展到复杂流体的FENE剪切流动模型。从数值上验证了当De趋于零时，非牛顿流体的极限状况为牛顿流体，而且通过随机微分方程的摄动展开及HMM算法，将原有的BCF算法扩展至De非常小的情形。 2). 有限长晶体的电子态. 以前在研究晶体的电子态的时候,一般都认为晶体足够大,大到可以认为是无限大的.但随着电子器件的越做越小,有的已经达到纳米的量级,此时晶体再也不可以认为是无限大的了.在实际中,很多物理学家已经发现很多纳米材料的性质跟有限晶体的表面态有关.我们就是研究这些表面态的存在使得纳米材料有哪些特性.在这个问题中我们要开很大的数组,以及要算很多的能量和对应的电子态,而这些是适和平行做的.故IBM机器很大的内存,可以并行计算这些优点给了我很多帮助. 使得原本要一星期左右能算的问题在不到一天的时间就可算。　

二、（李治平）

三、（滕振寰，陈静）研究双稳态对流扩散反应方程
考察在圆形和椭圆形区域上,当 非常小时,粘性项对激波速度的影响,进一步给出激波速度公式,算法将选用国际流行的高分辨基本无振荡格式(ENO和WENO)以及level set的方法分别加以数值验证.程序的难点在于空间网格步长 要比 小,而时间网格步长 要满足库朗条件,在 非常小条件下, 和 都要非常的小,这就需要大规模和长时间的计算, 现有的微机无法满足要求。我从2002年4月开始使用IBM机器计算,由于该机运行速度快,存储量大, 而且可以通过后台操作提交多个任务,大大提高了工作效率, 尤其将程序并行化以后这种优势就更加明显.

四、（汤华中）三维可压缩流体力学方程组的自适应移动网格方法的实现。
由于问题的规模比较大， 所以当前的问题计算不仅仅要求计算机有很高的运算速度，而且还要求计算机具有很大的存储能力。 在此之前， 我已经将程序放在微机，SGI工作站和HP工作站（国内现有的）上试运行过。由于这些计算机的计算能力非常有限（运算速度慢，存储限制很大）， 所以计算规模很难提高，进而无法体现出自适应移动网格方法在三维问题计算中的优势。 IBM并行计算机具有大的存储能力和快速的运算能力为我们开展一些超大规模的科学与工程问题的计算提供了可能。 当前，程序处于调试阶段，主要使用单处理机运算。待程序调试成功后， 将充分利用IBM多处理机的良好计算环境， 进行问题的并行计算。

五、（周铁）"双曲守恒律的高精度格式"
研究二维Euler方程组的高精度ENO,WENO有限差分法、有限体积法和Runge-Kutta Discontinous Galerkin方法在非结构三角形网格上的数值比较。利用IBM-sp3进行串行计算，大大缩短了网格生成和每个算例的计算时间。

六、（应隆安小组）
(1)与第四军医大学合作的有关于牙齿的烤瓷问题. 现在牙齿的烤瓷技术无论在国内还是在国外都很热门.但是此项技术还不是十分成熟.它有一个很重要的问题是瓷冠容易脱落,而脱落后很难再补上瓷,所以在开始的时候我们就要保证做的烤瓷在一般的情况下不易脱落,并且仅可能的美观.而这就归结为一个牙齿的应力问题,我们就是算这个问题.我用IBM机器来计算这个问题,在计算中要开很大的数组, IBM机器的很大的内存给了我莫大的帮助.现在我已经得到了数值结果.

(2) 原子能级的有限元计算. 多电子原子系统的 Schrodinger 方程是一个空间维数很高的特征值问题，用变分法和各种数值方法求解都是一个很大的困难，利用系统的对称性，可以使得问题的空间维数减少三维，用有限元方法高精度求解多体原子系统的近似能量，无论对于物理还是数学，都是一项非常有意义的工作；因为问题的空间维数很高，奇性很强，用有限元方法求解，需要很大的计算机存储量以及较高的计算速度，一般的计算机很难满足这一点，而高性能计算中心的计算机系统在很大程度上保证了这一点。目前我们已完成了氦原子基态和低激发态能量以及锂原子基态能量的近似计算，取得了很好的效果。

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中心人员发表论文

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