自20世纪80年代以来，技术的革新和经济的发展越来越依赖于新材料的出现。特别是在经过信息技术革命后，美国政府充分认识到材料革新对技术进步和产业发展的重要作用。在复兴制造业的战略背景下，美国总统奥巴马于2011年6月24日在卡内基梅隆大学宣布实施“材料基因组计划”（materialsgenomeinitiative，MGI），其主要目的是试图把新材料的开发周期缩短一半，研发成本减半，以期加速在清洁能源、国家安全和人类福利等领域先进材料的应用，加强美国在21世纪继续保持在高新技术产业和军用装备的竞争优势。自从美国提出实施“材料基因组计划”后，包括中国在内的世界各国政府纷纷跟进，提出各自的“材料基因组计划’：在中国“材料之父”师昌绪院士的建言下，国务院批准设立“新材料专项”（即第18专项），预期将在该专项的资助下实施中国版的“材料基因组计划’＇。2014年12月4日，美国白宫的官方网站公布了《材料基因组战略规划》，本规划是美国国家层面的最高技术投资和发展规划，是继2001年《美国国家纳米技术战略规划》之后首个国家级的材料技术发展规划。本规划详细描述了材料基因组计划提出的背景；材料领域面临的主要挑战；材料基因组计划预期实现的战略目标；材料基因组在国家安全、人类福利、清洁能源、基础设施及消费品领域可能带来的巨大成绩。材料基因组计划的核心内容是通过实验、计算和理论的有机整合协同创新，实现材料开发过程中各个层面的数据共享，转变材料研发的模式。主要基础设施包括计算工具、实验工具、数据数字化以及协作网络四大部分。正如生物DNA序列数据的开放共享加速了人类基因组计划的进程、促进了生物信息技术产业的形成壮大，材料基因组计划旨在通过材料数据的私密性和公开性的协调统一，扩大实验仪器、模拟计算工具、材料基础数据的可获取性，把先进材料从发现、开发、生产和应用等所有环节的开发速度提高一倍。数据共享与计算工具的开发对“材料基因组计划”的成功实施起到至关重要的作用，大规模高性能并行计算机系统的快速发展，准确预测材料性能的计算模拟工具的开发，高性能数据库和数据挖掘技术的发明等为“材料基因组计划”的实施提供了坚实的基础。当前，新材料的研发主要依靠研究者的科学直觉和“试错法”进行大量的重复实验。最近，在工程领域出现了集成材料计算工具与拥有计算和分析的高级信息技术相结合的新材料开发成功范例，这表明材料基因组计划的实施非常有希望把现有的材料研发周期从2030年缩短到23年。材料基因组按照应用或者物理化学特性可以细分为不同的子类，如半导体材料基因组、催化材料基因组、新能源材料基因组、生物材料基因组、超级钢材料基因组、航空材料基因组等。
半导体科学技术在当前人类社会发展中扮演着至关重要的作用。半导体科学技术的进步为全社会带来了互联网的普及和信息产业的发展，为人类的生活和生产带来了变革。半导体科学技术是信息产业的核心和基础，是推动传统工业转型升级的物质支撑，是促进经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性基石，是世界各主要工业国家投巨资竞相发展的高精尖技术。半导体科学技术还在不断孕育新兴产业，如新能源、固态照明、移动互联、物联网、大数据、云计算、智能家电等。半导体科学技术一直在蓬勃发展，新的材料、思想、技术不断涌现，如新型二维材料的出现有可能为我们带来更高性能的器件和新的应用技术，半导体自旋电子学的发展可能应用到新型自旋器件中。半导体材料的研发奠定了当前半导体技术取得的地位，半导体材料基因组计划的实施将促使半导体科学技术的研究和应用进入一个崭新的时代。本文作者之一骆军委曾经作为美国能源部“能源前沿研究中心”逆向设计中心的骨干成员，过去几年已经在半导体材料基因组方面开展了一些研究工作，例如对于硅自旋量子比特应用，基于基因遗传模拟方法逆向设计了硅（Si）量子阱，使它的谷间能级劈裂提高了一个量级，这将显著提高硅量子比特的自旋相干时间，达到可实际应用的水平；对于光电集成技术急需解决的硅基发光材料，基于基因遗传模拟方法逆向设计了直接带隙发光的Si/Ge超晶格和纳米线间，这也是本文后面部分的主要内容。
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