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美国能源部“利用高性能计算促进能源创新”战略计划

2019年4月1日,美国能源部(DOE)与劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)联合宣布,将于2019年春季开始重新调整“利用高性能计算促进能源创新”(HPC4EI)计划。该计划由美国能源部下属劳伦斯利弗莫尔实验室与其他国家级实验室合作共同领导实施,其目的是为工业界提供来自美国能源部国家级实验室的高性能计算(HPC)专业知识、技术和资源,降低工业界使用HPC资源的风险,并扩大HPC在技术开发过程中的应用。该计划重点将关注那些可以进一步节约能源、降低成本的工业项目。美国希望通过该计划的顺利实施,全面提升国家工业体系在材料、制造、交通移动系统等方面的研发潜力,进一步实现节约能源、降低成本的长期目标,为美国在能源、计算和工业领域的能力领跑全球助力。

美国能源部HPC4EI计划(美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室图片)

一、高性能计算(HPC)能力是未来科学发展的基础

若要理解HPC4EI计划的意义,首先需要了解什么是高性能计算(HPC)。从概念上理解,HPC是在计算机领域的专业术语,指通常使用很多处理器(作为单个机器的一部分)或者某一集群中组织的几台计算机(作为单个计算资源操作)的计算系统和环境。高性能集群上运行的应用程序一般使用并行的算法,简单理解就是将某个“大问题”根据一定的规则分解成许多“小问题”,在集群内的不同节点上进行计算,而这些“小问题”的处理结果,经过处理可合并为“大问题”的最终结果。由于处理“小问题”时的计算过程可并行完成,因此可大大的缩短“大问题”的处理时间。

为何HPC如此受到关注呢?我们以航空领域为例来解释这一问题。根据美国空军协会米歇尔航空航天力量研究所的一项研究,在过去的数十年间,由于航空工业风险高、投入大、周期长,因此以美国、欧洲为代表的国家和地区,通过公共财政在该领域的投入逐步缩减、业界趋于保守,诸如CFD、新材料、新工艺等技术在工程应用中进步放缓,造成了新飞机设计数量以及首飞数量实际上都在逐年递减。再加上监管部门对行业的未来发展在能耗、排放、噪音等等方面有持续不断的高标准严要求,传统设计方法和技术潜力已经被挖掘到极限,“凭经验”的做法越来越难以为继,快速实现推陈出新变得越来越艰难。

1950年-2009年预计完成首飞的新航空器设计数量(美空军协会米歇尔航空航天力量研究所图片,作者汉化)

HPC的出现可以利用超级计算机推进人们所面对的那些太大(如恒星、星系)、太小(如原子级、纳米级)、太快(如核聚变)、太慢(如宇宙学)、太危险/昂贵(如破坏性试验)等问题的研究。HPC这种拆解复杂问题的能力,将显著缩短突破创新瓶颈、解决具体问题的时间,为更快的实现科技创新创造机遇,为工业领域取得跨越式发展奠定基础。

故此,2015年7月29日,时任美国总统奥巴马签发行政令,正式启动了国家战略性计算计划(NSCI),旨在使高性能计算(HPC)的研发与部署最大程度造福于经济竞争与科学发现。这份行政令指出,过去60年以来,持续进行的新型计算系统研发和部署,使得美国在计算领域的能力领跑全球。为了在未来数十年维持与扩大这种优势,使通过HPC产生的效益最大化,满足日益增长的对计算能力需求,更好的应对新兴计算挑战与机遇,需要从国家层面针对HPC研发与部署建立协调性联合战略规划。NSCI的推出将为美国制定统一的、多部门参与的战略愿景和联邦投资规划,并计划通过产、学、研的通力合作,实现HPC利益最大化。

在NSCI计划中所强调的首要指导原则是:必须广泛部署和应用新兴HPC技术,保持美国在经济竞争和科学发现方面的领先。由于NSCI计划定位在国家层面,因此这一战略也标志着美国将HPC能力视为未来科技、军事、工业等各方面技术发展的能力基础。作为这项计划的领导机构之一,美国能源部拥有美国境内大部分的国家级超级计算机提供HPC能力,而HPC4EI计划也正是在这样的背景下应运而生。

二、HPC4EI计划将带来工业技术的创新

HPC4EI计划的全称是“利用高性能计算促进能源创新”,经过2019年春季的重新调整,它目前由3个子计划共同组成,分别是“利用高性能计算改进制造技术”(HPC4Mfg)计划、“利用高性能计算突破新材料研发”(HPC4Mtls)计划以及最新加入的“利用高性能计算促进移动系统发展”(HPC4Mobility)计划。

HPC4EI包括三个子计划(美国HPC4EI官方网站图片)

这三个子计划分别针对先进制造、材料研发和移动系统的开发。每个子计划各有侧重。HPC4Mfg计划的宗旨是利用HPC建模、模拟和数据分析能力,解决制造技术难题,其主要收益在于可显著提升产品的质量、加速甚至取消产品的测试,进一步释放产能、降低成本、节约资源。HPC4Mtls计划是希望通过借助工业界与国家实验室间合作的力量,加速在极端条件下工作的新材料的发现与应用,降低研发成本,提高性能指标。HPC4Mobility计划则是希望利用HPC工具加快更加节能、低成本的移动、运输系统的设计与开发。

可以看出HPC4EI计划的核心就是全面利用HPC能力,降低成本、节省能耗、技术创新。美国能源部和国际数据公司2016年发布了一份针对HPC的研究报告表明,投资HPC可获得更高的投资回报率。这项调查重点跟踪了有关HPC的329个研究案例,综合分析后发现:针对HPC每投资1美元可产生673美元的收益,同时还可节省44美元的成本。所以,将HPC与工业技术研发相结合,一方面既符合美国能源部长期以来的工作使命,另一方面也符合科技工业未来的发展趋势。

三、HPC4EI计划的运作方式

工业界企业若要申请使用HPC资源承担相关项目,需要满足以下5个基本要求。

(1)项目基础费用和成本分摊

HPC4EI的3个子计划均有具体的项目管理机构,这些机构一般是美国能源部下设不同专业领域的办公室,其主要职责是提出明确项目需求,并负责提供项目启动资金。当工业界企业提议的项目获得了立项支持后,项目管理机构将向国家实验室提供最高可达30万美元的费用,帮助工业合作伙伴获取和使用HPC资源及专业能力。企业同时也需要以现金或其他方式提供项目管理机构所提供资金的20%,作为使用HPC资源的成本分摊。

(2)概念论证提交

每个子计划每半年都会组织进行一次项目征集,项目管理机构会根据业态的变化发布具体需求,并面向全社会寻找优秀企业进行项目合作。有意向的工业界企业,需要提交一份2页左右的概念论证报告,简单阐述在最多为期1年的研究周期内,项目可实现的创新点和未来应用前景。

(3)实验室主要专家参与论证

如果企业的概念论证获得了支持,来自国家级实验室的专家或主要研究人员将会被分配参与到项目具体工作中,帮助企业共同整理项目实施方案,完成全面的项目论证报告。

(4)选拔条件

项目管理机构将从四个方面考察合作企业的综合能力,分别为:

——企业所申报的项目是否推动了最先进技术进步;

——企业的技术可行性和团队研究实力是否满足要求;

——企业所申报项目对工业界带来的影响;

——评估项目对HPC系统的具体需求。

(5)签订协议

完成上述四个步骤的考察后,随着立项提案的通过,美国能源部将向企业授予短期合作研发协议(CRADA),推动项目的执行。

四、实施效果——案例分析

HPC4EI计划虽然刚刚经历了战略调整,但其中的HPC4Mfg和HPC4Mtls计划此前已经完成了多轮的项目征集和具体立项。截至目前,共有9个国家级实验室参与到了相关项目中,并已累计向73个研究项目提供了总价值超过2300万美元,累计使用高性能计算达6500万核心小时(指用于运行模拟的处理器单元<核心>的数量乘以作业的持续时间<以小时为单位>)。使用1个核心小时,可以在单核机器上模拟1小时,在双核机器上模拟30分钟,依此类推)。我们以HPC4Mtls计划的实施情况分析一下该战略目前的所取得成效。

HPC4Mtls计划是能源部于2017年9月推出的,它的推出正好结合了美国能源部在政府分管任务中的两个关键要素——高性能计算的发展和能源技术向市场的改进。该计划的项目管理机构为美国能源部的化石能源办公室、车辆技术办公室和能效与可再生能源燃料电池技术办公室,它们主要负责提出项目需求并提供项目资金。HPC4Mtls计划则由劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)牵头,橡树岭国家实验室(ORNL)、国家能源技术实验室(NETL)和洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)共同领导实施,其余所有能源部国家实验室都有资格作为该计划的合作伙伴参与其中。

美国能源部国家实验室所能提供使用的资源(美国能源部图片)

HPC4Mtls计划的主要任务是关注工业界面临的重要挑战,专注于开发能够在极端条件下(包括极端压力、辐射、温度、腐蚀/化学环境、振动、疲劳或应力状态等)长期稳定工作的新材料或改进材料。此外它也将重点开发和改进轻质材料技术。企业可通过结合HPC能力,在开发在极端环境下使用的新材料方面获得帮助,使其研发生产成本、研制周期和材料性能等发生阶梯式变化,进而为美国节省高额的能源和维护保障费用,进一步提升美国在全球市场中的竞争力。根据美国能源部的预期,使用HPC4Mtls计划的收益具体可能体现在以下几点:

(1)开发可用于先进发动机、燃气轮机核心零部件的高温材料(2700华氏度、约1482摄氏度)以及燃料包壳材料,如高温耐腐蚀金属等;

(2)开发具有更低成本、反应性更强的催化剂材料,如用于制氢的新型催化剂;

(3)开发可改善隔热和环境障碍的涂层材料;

(4)开发可用于超临界二氧化碳动力循环、化学循环燃烧的新材料。

(5)寻找新型合金材料,特别是更加轻质的合金材料。

通过与国家实验室的合作,企业可以获取国家级资源的帮助。一是可以访问和使用HPC系统。可使用全世界范围内计算速度最快的10台超级计算机中的5台辅助研发工作;二是可以获得国家级实验室首席专家和主要研究人员的帮助。具体包括以下几个方面:利用高保真模拟的方式强化材料产品工艺和质量、预测特定恶劣环境下的材料行为、对数据反馈的情况进行实时分析、对缺失的物理现象进行更加真实的模拟仿真、开发更复杂的系统模型捕捉物理现象间的相互作用、提供计算流体动力学/热力学/材料建模/增材制造等方面的专业知识和能力。

美国能源部国家实验室拥有全球十大HPC系统中的五个。照片中显示的HPC系统分别是LLNL的Vulcan、LANL的Trinity、ORNL的Titan和NREL的Peregrine。(美国HPC4Mtls官方网站图片)

2018年2月28日,美国能源部正式发布了针对HPC4Mtls计划的资金补助公告,并于3月启动了第一批项目征集活动。值得注意的是,提议参与该计划的项目,必须证明现有的材料具备发展更低成本替代品的可能性,或者即将研发的材料技术具有节能潜力、可缩短研发时间或缩短上市时间的潜力。

2018年11月,首批获得资助的项目已经得到了公布,与此同时HPC4Mtls也开启了第二批的项目征集活动。项目主管和资助机构依然是美国能源部下属的化石能源办公室(FE)、车辆技术办公室(VTO)和能效与可再生能源燃料电池技术办公室(FCTO)。经过首批项目的立项经验,三个项目管理办公室均在第二批项目征集中更加明确了各自的需求,并给出了更详细具体的项目需求指南。其中化石能源办公室(FE)主要需要那些在贮存化石能源的设备中或特定部位能够耐极端环境的材料,重点以高性能的金属材料和新材料及辅助技术为主;能效与可再生能源燃料电池技术办公室(FCTO)的主要工作与燃料电池有关,属于化学与材料学的交叉,故此FCTO重点关注新型催化剂材料和储氢材料等;车辆技术办公室(VTO)所需材料主要的应用领域聚焦民用,所以不断地改进传统的金属材料和复合材料是VTO的关注重点。

五、小结

如果说美国军方、国防部对于材料领域的资助侧重于未来军事应用、形成军事对抗优势的话,那么美国能源部对于材料领域扶持则处处体现了“创新”二字:从技术层面,美国能源部坚持发展和应用与节约能源相关的先进技术,根据详细论证得到的未来需求,提出明确指标要求,并针对材料、制造等关键领域重点资助,推动整个工业界的技术创新和产业升级;从管理层面,利用政府的平台和资源优势,向合作伙伴开放先进的科研设备和专业能力,避免资源浪费的同时,最大限度的借助全社会的力量提供创新土壤,挖掘工业创新潜力。

事实证明,这一“顶层规划-政府监管与论证-国家级资源开放-工业界广泛参与-合作创新共赢”的创新模式是成功的,经过近两年的探索,最早启动实施的HPC4Mfg计划,已经开花结果。该计划资助的两个项目目前已经完成,并获得了应用——其一是开发出了新一代LED液晶系统;另一项技术创新则实现了造纸行业的能源效率提升。

劳伦斯利弗莫尔实验室与LED制造商SORRA合作,为该公司研发的规模化生长氮化镓晶体工艺创造新的计算模型(美国HPC4EI网站图片)

劳伦斯利弗莫尔国家实验与劳伦斯伯克利国家实验室合作,优化造纸过程中最耗能的步骤之一——干燥湿纸浆。(美国HPC4EI网站图片)

美国能源部的这一创新举措带给了我们一些启示。各国的HPC资源都基本上集中在由政府支持的国家级实验室中,由于开发这样一套系统的成本极其高昂,一般都是由各国政府通过公共财政扶持进行,普通的企业、院校是难以负担的,想利用这样优质的公共资源也缺乏顺畅的渠道。中国在HPC领域具有世界领先的水平,“神威·太湖之光”“天河2号”超级计算机都在目前世界上最强的HPC系统行列,如何更好的利用这样优质的资源避免能力浪费,值得我们思考。关于创新,习总书记曾经提出:“企业是创新主体,掌握了一流技术,传统产业也可以变为朝阳产业”,如何进一步释放企业、院校的创新潜能,是当下我们应该重点思考的课题,而美国能源部的做法已经给出了很好的示范,值得我们学习。

陈济桁先生已为《空天防务观察》提供5篇专栏文章,如下表:

序号

篇名

发表日期

1

日本东丽公司推出新一代碳纤维预浸料产品,拉伸强度和抗冲击性能又提升30%

2017年6月2日

2

复合材料助力贝尔V-280“英勇”倾转旋翼机发展

9月22日

3

日本东丽实施并购强化碳纤维复合材料竞争优势

2018年8月27日

4

日本帝人公司开发新型耐热抗冲击预浸料

2019年4月1日

5

美国能源部“利用高性能计算促进能源创新”战略计划解析(即本篇)


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