NASA眼中CFD的未来（1）高性能计算

由NASA牵头的“CFD愿景2030”研究于2014年发布，并已成为CFD在航空航天领域应用的一个理想目标。

该研究制定的技术发展路线图如下图所示：

该路线图确定了六个主要技术领域，分别是：

1. 高性能计算(HPC)
2. 物理建模
3. 算法
4. 几何和网格生成
5. 知识提取
6. 多学科分析与优化(MDAO)
   
   

每个领域的子主题将在2015年至2030年期间成熟。目标是到2030年将CFD应用于日益复杂的航空航天应用。这些技术的发展是成功解决一系列重大挑战问题的基础。

美国航天航空学会（AlAA）认识到路线图对改进CFD技术的持续效用，围绕这一愿景成立了一个集成委员会。该委员会的章程之一是保持对路线图的认可，并强调正在进行的航空航天CFD研究需求。

本文将介绍高性能计算（HPC）部分。

01

当前进展

在技术路线图15年的跨度中，高性能计算的第一个里程碑出现在2019年，NASA 演示了CFD中极端并行算法的实现。当时，橡树岭国家实验室(ORNL)的Summit系统是世界上最强的高性能计算系统。

Summit超算（目前世界排名第5）

Summit的绝对性能相当于大约120万个Intel Xeon Gold 6148（40核心）。

NASA使用自研的FUN3D 非结构化网格求解器对载人火星着陆器的超音速反推概念模型进行长时间、高分辨率模拟的参数研究，使用了60亿网格，每次模拟产生数百Tb的输出数据。

其他案例：

基于LES的飞机发动机高空再点火仿真

280亿网格模拟大型客机着陆

02

未来展望

• 计算软件革新

在过去的二十年中，由于硬件没有颠覆性的更新，这使得软件不需要进行根本性的更改。通用高级语言(如Fortran、C和C++)的编译器可以最小的开发工作量提供合理的性能。提高性能往往通过大幅增加并发性或并行性。

对于未来而言，硬件方向的一些根本性转变将对应用程序开发人员具有深远的影响。当今绝大多数的大规模计算科学应用软件将需要重新构建，以利用新兴的下一代硬件系统的潜力。现有的应用程序实际上可能在未来的系统上表现得更差。例如，为了达到世界上许多超算系统中的gpu处理器最大程度的峰值性能，应用程序开发人员现在必须在节点级别上增加几个数量级的并行性。在当今的许多主力算法中实现这种程度的并行能力可能是一个巨大的挑战，这将迫使开发人员重新定制现有的算法，甚至完全放弃它们。

• 量子计算机
  
  

高性能计算路线图的第二路线旨在寻求革命性的硬件技术的发展，这些技术可能具有在科学和工程领域实现颠覆性变革的潜力。量子计算领域有望通过量子物理的基本物理特性实现更高效的计算。近年来，基础研究在这一领域取得了巨大的进展，美国能源部、国防部、国家科学基金会等机构以及私营企业和世界其他国家积极资助了大量工作。NASA长期以来一直赞助NASA艾姆斯研究中心的量子人工智能实验室(QuAlL)项目。

• 神经元计算机
  

神经元计算的灵感来自人脑中神经元和突触控制的生物过程。这样的处理器似乎很适合人工智能和机器学习领域，最终可能会与传统的硬件一起发挥作用。目前的成果有基于Loihi架构的Intel Pohoiki beach 处理器，以及IBM 的TrueNorth处理器。

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文章来源：基算仿真