超级计算机——超级算力推动工业仿真加速发展

   

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什么是超级计算机？  

顾名思义，超级计算机是相对于大型、小型计算机而言的一种运算速度更高、存储容量更大、功能更完善的计算机，多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。

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超级计算机的基本组成组件与个人电脑无太大差异，但规格和性能则强大许多，是一种超大型电子计算机，具有很强的计算和处理数据的能力，主要特点表现为高速度和大容量。现有的超级计算机运算速度大都可以达到 每秒万亿次 以上，在最新发布的第60期全球超级计算机排行榜，排名第一的“前沿”（Frontier），每秒浮点运算速度超过百亿亿次。

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我国超级计算机的起源与发展  

我国的超级计算机研制起步于60年代，经历了三个阶段： 第一阶段，自60年代末到70年代末，主要从事大型机的并行处理技术研究； 第二阶段，自70年代末至80年代末，主要从事向量机及并行处理系统的研制； 第三阶段，自80年代末至今，主要从事MPP系统及工作站集群系统的研制。

早在1958年，我国成功研制了首台数字电子计算机——103机，开启了我国在超级计算机领域的探索之路。

1983年，我国成功研制“银河”系列超级计算机，至此，我国具备了进行中期数值天气预报的能力。从1992年开始，我国超级计算机的研发速度明显加快。经过几十年的不懈努力，我国的超级计算机系统研制已取得了丰硕成果。

2010年，我国研制的“天河一号”成为世界上运算速度最快的计算机。2016年，全部采用自主技术的“神威·太湖之光”诞生，此后连续四次雄踞“全球超级计算机500强”榜首 。随着一批国产高端计算机系统的出现，我国成为继美国、日本之后，第三个具备研制高端计算机系统能力的国家。

目前，超级计算机已经广泛运用于地球气候模拟、宇宙天体研究、基因研究、石油勘探、自然灾害预报等“高、精、尖”的前沿领域。

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超级计算机在工业仿真领域的应用  

全球正处在工业革命4.0的时代，这是一场正在兴起的新工业革命，是以人及其资源实现智能互联为特征，以新一代信息技术为推动，物理世界和数字世界、产业和服务之间相互融合的发展形态。 工业仿真（CAE）技术，既是工业数字化研发设计的核心工具，也是工业互联网时代，乃至工业4.0时代的核心支撑。

随着工业4.0时代的到来，企业对产品开发设计周期有了更高的要求。CAE仿真的模型也越来越复杂，网格数量越来越多，对精度要求越来越高，其计算时间也越来越长。如果遇到动网格计算、双向流固耦合计算，模型网格数量巨大，计算时间更是成倍增长，对算力的需求攀升，使得超级计算机成为了工业仿真的重要支撑。

在飞行器高速飞行时，高温气流以及气体的分布情况对航天器的成功试验十分重要。2011年9月，我国成功在酒泉卫星发射中心将自主研制的载人空间试验平台——“天宫一号”送入预定轨道。在“天宫一号”的设计过程中，研发团队基于“神威 • 太湖之光”超级计算机对飞行器两舱简化外形（长度10余米、横截面直径近3.5米）陨落飞行（H=65km、62km、Ma=13）绕流状态进行大规模并行模拟。在准确的前提下，20天内便完成常规需要12个月的计算任务，超级计算机的模拟计算结果与风洞实验数据基本吻合,为“天宫一号”飞行试验提供了重要的数据支持。

大规模并行模拟“天宫一号”两仓绕流状态（图片来源于网络）

除了航空航天领域，超级计算机还可以用于汽车碰撞安全验证。 以前，这样的实验都需要通过真车在现场一辆一辆碰撞，现在有了超级计算机，只需要几台车辆进行现场模拟后，将其仿真的运算结果和实验结果作比对，既能减少研发成本，又能缩短产品的研发周期。

正面刚性墙碰撞分析（图片来源于网络）

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“神工坊”——高性能工业仿真  

为应对先进制造业需求，国家超级计算无锡中心基于“神威 • 太湖之光”超级计算机的超级算力，面向工业制造领域， 提供高保真、高性能的工业仿真解决方案——“神工坊” （ 点击了解详情 ）。

对于中大型、有能力自研仿真软件的企业，“神工坊”能够对软件进行高性能改造，用超级算力来“跑”软件，提高仿真的并行规模和效率。

目前，基于平台开发完成的高性能中间件和仿真求解框架，“神工坊”已与中航商发、清华大学、中国气动中心等 高校 及 科研单位合 作 ， 对其 自研仿真软件进行高性能改造 和国产平台移植 ，取得了显著效果 。

   

高性能改造案例    

在清华大学某透平CFD程序中，经过数据结构改造，并采用UNAT非结构加速中间件加速，在“神威 • 太湖之光”平台上，重要热点获得了最高接近20倍的加速，整体加速达到了10倍左右。

     

对于中小型企业，我们提供“神工坊”高性能工业仿真平台，平台具备丰富的仿真软件以及海量高性能硬件资源，支持在线“前处理-求解-后处理”仿真全流程作业。 另外，平台支持多级用户管理功能，方便企业整体入驻，为企业提供多级部门管理、在线共享空间、在线分享图形界面等功能，助力企业在线协同研发，提高设计研发效率。

目前，“神工坊”高性能工业仿真平台注册企业近千家，能够为航空航天、汽车制造、船舶海洋、电力电子等工业领域提供一站式高性能在线仿真服务。

参考文章：

[1] 陈卓, 王笑《中国超级计算机发展历程》

[2] 于帅旗《超级计算机及其在航空航天领域中的应用》

   

十四五期间，工业数字化将是工业转型升级的主路线。“神工坊”秉持“算力赋能、协同创新”的理念，争做“先进算力到仿真算能的转换器”、“离散机理和垂直仿真场景的连接器”，助力我国工程仿真技术实现跨越发展，支撑重大装备研制创新和工业设计研发数字化转型。