美國能源部“利用高性能計算促進能源創(chuàng)新”戰(zhàn)略計劃

2019年4月1日，美國能源部（DOE）與勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）聯(lián)合宣布，將于2019年春季開始重新調整“利用高性能計算促進能源創(chuàng)新”（HPC4EI）計劃。該計劃由美國能源部下屬勞倫斯利弗莫爾實驗室與其他國家級實驗室合作共同領導實施，其目的是為工業(yè)界提供來自美國能源部國家級實驗室的高性能計算（HPC）專業(yè)知識、技術和資源，降低工業(yè)界使用HPC資源的風險，并擴大HPC在技術開發(fā)過程中的應用。該計劃重點將關注那些可以進一步節(jié)約能源、降低成本的工業(yè)項目。美國希望通過該計劃的順利實施，全面提升國家工業(yè)體系在材料、制造、交通移動系統(tǒng)等方面的研發(fā)潛力，進一步實現節(jié)約能源、降低成本的長期目標，為美國在能源、計算和工業(yè)領域的能力領跑全球助力。

美國能源部HPC4EI計劃（美國能源部勞倫斯利弗莫爾國家實驗室圖片）

一、高性能計算（HPC）能力是未來科學發(fā)展的基礎

若要理解HPC4EI計劃的意義，首先需要了解什么是高性能計算（HPC）。從概念上理解，HPC是在計算機領域的專業(yè)術語，指通常使用很多處理器（作為單個機器的一部分）或者某一集群中組織的幾臺計算機（作為單個計算資源操作）的計算系統(tǒng)和環(huán)境。高性能集群上運行的應用程序一般使用并行的算法，簡單理解就是將某個“大問題”根據一定的規(guī)則分解成許多“小問題”，在集群內的不同節(jié)點上進行計算，而這些“小問題”的處理結果，經過處理可合并為“大問題”的最終結果。由于處理“小問題”時的計算過程可并行完成，因此可大大的縮短“大問題”的處理時間。

為何HPC如此受到關注呢？我們以航空領域為例來解釋這一問題。根據美國空軍協(xié)會米歇爾航空航天力量研究所的一項研究，在過去的數十年間，由于航空工業(yè)風險高、投入大、周期長，因此以美國、歐洲為代表的國家和地區(qū)，通過公共財政在該領域的投入逐步縮減、業(yè)界趨于保守，諸如CFD、新材料、新工藝等技術在工程應用中進步放緩，造成了新飛機設計數量以及首飛數量實際上都在逐年遞減。再加上監(jiān)管部門對行業(yè)的未來發(fā)展在能耗、排放、噪音等等方面有持續(xù)不斷的高標準嚴要求，傳統(tǒng)設計方法和技術潛力已經被挖掘到極限，“憑經驗”的做法越來越難以為繼，快速實現推陳出新變得越來越艱難。

1950年－2009年預計完成首飛的新航空器設計數量（美空軍協(xié)會米歇爾航空航天力量研究所圖片，作者漢化）

HPC的出現可以利用超級計算機推進人們所面對的那些太大（如恒星、星系）、太?。ㄈ缭蛹墶⒓{米級）、太快（如核聚變）、太慢（如宇宙學）、太危險／昂貴（如破壞性試驗）等問題的研究。HPC這種拆解復雜問題的能力，將顯著縮短突破創(chuàng)新瓶頸、解決具體問題的時間，為更快的實現科技創(chuàng)新創(chuàng)造機遇，為工業(yè)領域取得跨越式發(fā)展奠定基礎。

故此，2015年7月29日，時任美國總統(tǒng)奧巴馬簽發(fā)行政令，正式啟動了國家戰(zhàn)略性計算計劃（NSCI），旨在使高性能計算（HPC）的研發(fā)與部署最大程度造福于經濟競爭與科學發(fā)現。這份行政令指出，過去60年以來，持續(xù)進行的新型計算系統(tǒng)研發(fā)和部署，使得美國在計算領域的能力領跑全球。為了在未來數十年維持與擴大這種優(yōu)勢，使通過HPC產生的效益最大化，滿足日益增長的對計算能力需求，更好的應對新興計算挑戰(zhàn)與機遇，需要從國家層面針對HPC研發(fā)與部署建立協(xié)調性聯(lián)合戰(zhàn)略規(guī)劃。NSCI的推出將為美國制定統(tǒng)一的、多部門參與的戰(zhàn)略愿景和聯(lián)邦投資規(guī)劃，并計劃通過產、學、研的通力合作，實現HPC利益最大化。

在NSCI計劃中所強調的首要指導原則是：必須廣泛部署和應用新興HPC技術，保持美國在經濟競爭和科學發(fā)現方面的領先。由于NSCI計劃定位在國家層面，因此這一戰(zhàn)略也標志著美國將HPC能力視為未來科技、軍事、工業(yè)等各方面技術發(fā)展的能力基礎。作為這項計劃的領導機構之一，美國能源部擁有美國境內大部分的國家級超級計算機提供HPC能力，而HPC4EI計劃也正是在這樣的背景下應運而生。

二、HPC4EI計劃將帶來工業(yè)技術的創(chuàng)新

HPC4EI計劃的全稱是“利用高性能計算促進能源創(chuàng)新”，經過2019年春季的重新調整，它目前由3個子計劃共同組成，分別是“利用高性能計算改進制造技術”（HPC4Mfg）計劃、“利用高性能計算突破新材料研發(fā)”（HPC4Mtls）計劃以及最新加入的“利用高性能計算促進移動系統(tǒng)發(fā)展”（HPC4Mobility）計劃。

HPC4EI包括三個子計劃（美國HPC4EI官方網站圖片）

這三個子計劃分別針對先進制造、材料研發(fā)和移動系統(tǒng)的開發(fā)。每個子計劃各有側重。HPC4Mfg計劃的宗旨是利用HPC建模、模擬和數據分析能力，解決制造技術難題，其主要收益在于可顯著提升產品的質量、加速甚至取消產品的測試，進一步釋放產能、降低成本、節(jié)約資源。HPC4Mtls計劃是希望通過借助工業(yè)界與國家實驗室間合作的力量，加速在極端條件下工作的新材料的發(fā)現與應用，降低研發(fā)成本，提高性能指標。HPC4Mobility計劃則是希望利用HPC工具加快更加節(jié)能、低成本的移動、運輸系統(tǒng)的設計與開發(fā)。

可以看出HPC4EI計劃的核心就是全面利用HPC能力，降低成本、節(jié)省能耗、技術創(chuàng)新。美國能源部和國際數據公司2016年發(fā)布了一份針對HPC的研究報告表明，投資HPC可獲得更高的投資回報率。這項調查重點跟蹤了有關HPC的329個研究案例，綜合分析后發(fā)現：針對HPC每投資1美元可產生673美元的收益，同時還可節(jié)省44美元的成本。所以，將HPC與工業(yè)技術研發(fā)相結合，一方面既符合美國能源部長期以來的工作使命，另一方面也符合科技工業(yè)未來的發(fā)展趨勢。

三、HPC4EI計劃的運作方式

工業(yè)界企業(yè)若要申請使用HPC資源承擔相關項目，需要滿足以下5個基本要求。

（1）項目基礎費用和成本分攤

HPC4EI的3個子計劃均有具體的項目管理機構，這些機構一般是美國能源部下設不同專業(yè)領域的辦公室，其主要職責是提出明確項目需求，并負責提供項目啟動資金。當工業(yè)界企業(yè)提議的項目獲得了立項支持后，項目管理機構將向國家實驗室提供最高可達30萬美元的費用，幫助工業(yè)合作伙伴獲取和使用HPC資源及專業(yè)能力。企業(yè)同時也需要以現金或其他方式提供項目管理機構所提供資金的20％，作為使用HPC資源的成本分攤。

（2）概念論證提交

每個子計劃每半年都會組織進行一次項目征集，項目管理機構會根據業(yè)態(tài)的變化發(fā)布具體需求，并面向全社會尋找優(yōu)秀企業(yè)進行項目合作。有意向的工業(yè)界企業(yè)，需要提交一份2頁左右的概念論證報告，簡單闡述在最多為期1年的研究周期內，項目可實現的創(chuàng)新點和未來應用前景。

（3）實驗室主要專家參與論證

如果企業(yè)的概念論證獲得了支持，來自國家級實驗室的專家或主要研究人員將會被分配參與到項目具體工作中，幫助企業(yè)共同整理項目實施方案，完成全面的項目論證報告。

（4）選拔條件

項目管理機構將從四個方面考察合作企業(yè)的綜合能力，分別為：

——企業(yè)所申報的項目是否推動了最先進技術進步；

——企業(yè)的技術可行性和團隊研究實力是否滿足要求；

——企業(yè)所申報項目對工業(yè)界帶來的影響；

——評估項目對HPC系統(tǒng)的具體需求。

（5）簽訂協(xié)議

完成上述四個步驟的考察后，隨著立項提案的通過，美國能源部將向企業(yè)授予短期合作研發(fā)協(xié)議（CRADA），推動項目的執(zhí)行。

四、實施效果——案例分析

HPC4EI計劃雖然剛剛經歷了戰(zhàn)略調整，但其中的HPC4Mfg和HPC4Mtls計劃此前已經完成了多輪的項目征集和具體立項。截至目前，共有9個國家級實驗室參與到了相關項目中，并已累計向73個研究項目提供了總價值超過2300萬美元，累計使用高性能計算達6500萬核心小時（指用于運行模擬的處理器單元＜核心＞的數量乘以作業(yè)的持續(xù)時間＜以小時為單位＞）。使用1個核心小時，可以在單核機器上模擬1小時，在雙核機器上模擬30分鐘，依此類推）。我們以HPC4Mtls計劃的實施情況分析一下該戰(zhàn)略目前的所取得成效。

HPC4Mtls計劃是能源部于2017年9月推出的，它的推出正好結合了美國能源部在政府分管任務中的兩個關鍵要素——高性能計算的發(fā)展和能源技術向市場的改進。該計劃的項目管理機構為美國能源部的化石能源辦公室、車輛技術辦公室和能效與可再生能源燃料電池技術辦公室，它們主要負責提出項目需求并提供項目資金。HPC4Mtls計劃則由勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）牽頭，橡樹嶺國家實驗室（ORNL）、國家能源技術實驗室（NETL）和洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）共同領導實施，其余所有能源部國家實驗室都有資格作為該計劃的合作伙伴參與其中。

美國能源部國家實驗室所能提供使用的資源（美國能源部圖片）

HPC4Mtls計劃的主要任務是關注工業(yè)界面臨的重要挑戰(zhàn)，專注于開發(fā)能夠在極端條件下（包括極端壓力、輻射、溫度、腐蝕／化學環(huán)境、振動、疲勞或應力狀態(tài)等）長期穩(wěn)定工作的新材料或改進材料。此外它也將重點開發(fā)和改進輕質材料技術。企業(yè)可通過結合HPC能力，在開發(fā)在極端環(huán)境下使用的新材料方面獲得幫助，使其研發(fā)生產成本、研制周期和材料性能等發(fā)生階梯式變化，進而為美國節(jié)省高額的能源和維護保障費用，進一步提升美國在全球市場中的競爭力。根據美國能源部的預期，使用HPC4Mtls計劃的收益具體可能體現在以下幾點：

（1）開發(fā)可用于先進發(fā)動機、燃氣輪機核心零部件的高溫材料（2700華氏度、約1482攝氏度）以及燃料包殼材料，如高溫耐腐蝕金屬等；

（2）開發(fā)具有更低成本、反應性更強的催化劑材料，如用于制氫的新型催化劑；

（3）開發(fā)可改善隔熱和環(huán)境障礙的涂層材料；

（4）開發(fā)可用于超臨界二氧化碳動力循環(huán)、化學循環(huán)燃燒的新材料。

（5）尋找新型合金材料，特別是更加輕質的合金材料。

通過與國家實驗室的合作，企業(yè)可以獲取國家級資源的幫助。一是可以訪問和使用HPC系統(tǒng)?？墒褂萌澜绶秶鷥扔嬎闼俣茸羁斓?0臺超級計算機中的5臺輔助研發(fā)工作；二是可以獲得國家級實驗室首席專家和主要研究人員的幫助。具體包括以下幾個方面：利用高保真模擬的方式強化材料產品工藝和質量、預測特定惡劣環(huán)境下的材料行為、對數據反饋的情況進行實時分析、對缺失的物理現象進行更加真實的模擬仿真、開發(fā)更復雜的系統(tǒng)模型捕捉物理現象間的相互作用、提供計算流體動力學／熱力學／材料建模／增材制造等方面的專業(yè)知識和能力。

美國能源部國家實驗室擁有全球十大HPC系統(tǒng)中的五個。照片中顯示的HPC系統(tǒng)分別是LLNL的Vulcan、LANL的Trinity、ORNL的Titan和NREL的Peregrine。（美國HPC4Mtls官方網站圖片）

2018年2月28日，美國能源部正式發(fā)布了針對HPC4Mtls計劃的資金補助公告，并于3月啟動了第一批項目征集活動。值得注意的是，提議參與該計劃的項目，必須證明現有的材料具備發(fā)展更低成本替代品的可能性，或者即將研發(fā)的材料技術具有節(jié)能潛力、可縮短研發(fā)時間或縮短上市時間的潛力。

2018年11月，首批獲得資助的項目已經得到了公布，與此同時HPC4Mtls也開啟了第二批的項目征集活動。項目主管和資助機構依然是美國能源部下屬的化石能源辦公室（FE）、車輛技術辦公室（VTO）和能效與可再生能源燃料電池技術辦公室（FCTO）。經過首批項目的立項經驗，三個項目管理辦公室均在第二批項目征集中更加明確了各自的需求，并給出了更詳細具體的項目需求指南。其中化石能源辦公室（FE）主要需要那些在貯存化石能源的設備中或特定部位能夠耐極端環(huán)境的材料，重點以高性能的金屬材料和新材料及輔助技術為主；能效與可再生能源燃料電池技術辦公室（FCTO）的主要工作與燃料電池有關，屬于化學與材料學的交叉，故此FCTO重點關注新型催化劑材料和儲氫材料等；車輛技術辦公室（VTO）所需材料主要的應用領域聚焦民用，所以不斷地改進傳統(tǒng)的金屬材料和復合材料是VTO的關注重點。

五、小結

如果說美國軍方、國防部對于材料領域的資助側重于未來軍事應用、形成軍事對抗優(yōu)勢的話，那么美國能源部對于材料領域扶持則處處體現了“創(chuàng)新”二字：從技術層面，美國能源部堅持發(fā)展和應用與節(jié)約能源相關的先進技術，根據詳細論證得到的未來需求，提出明確指標要求，并針對材料、制造等關鍵領域重點資助，推動整個工業(yè)界的技術創(chuàng)新和產業(yè)升級；從管理層面，利用政府的平臺和資源優(yōu)勢，向合作伙伴開放先進的科研設備和專業(yè)能力，避免資源浪費的同時，最大限度的借助全社會的力量提供創(chuàng)新土壤，挖掘工業(yè)創(chuàng)新潛力。

事實證明，這一“頂層規(guī)劃－政府監(jiān)管與論證－國家級資源開放－工業(yè)界廣泛參與－合作創(chuàng)新共贏”的創(chuàng)新模式是成功的，經過近兩年的探索，最早啟動實施的HPC4Mfg計劃，已經開花結果。該計劃資助的兩個項目目前已經完成，并獲得了應用——其一是開發(fā)出了新一代LED液晶系統(tǒng)；另一項技術創(chuàng)新則實現了造紙行業(yè)的能源效率提升。

勞倫斯利弗莫爾實驗室與LED制造商SORRA合作，為該公司研發(fā)的規(guī)?；L氮化鎵晶體工藝創(chuàng)造新的計算模型（美國HPC4EI網站圖片）

勞倫斯利弗莫爾國家實驗與勞倫斯伯克利國家實驗室合作，優(yōu)化造紙過程中最耗能的步驟之一——干燥濕紙漿。（美國HPC4EI網站圖片）

美國能源部的這一創(chuàng)新舉措帶給了我們一些啟示。各國的HPC資源都基本上集中在由政府支持的國家級實驗室中，由于開發(fā)這樣一套系統(tǒng)的成本極其高昂，一般都是由各國政府通過公共財政扶持進行，普通的企業(yè)、院校是難以負擔的，想利用這樣優(yōu)質的公共資源也缺乏順暢的渠道。中國在HPC領域具有世界領先的水平，“神威·太湖之光”“天河2號”超級計算機都在目前世界上最強的HPC系統(tǒng)行列，如何更好的利用這樣優(yōu)質的資源避免能力浪費，值得我們思考。關于創(chuàng)新，習總書記曾經提出：“企業(yè)是創(chuàng)新主體，掌握了一流技術，傳統(tǒng)產業(yè)也可以變?yōu)槌柈a業(yè)”，如何進一步釋放企業(yè)、院校的創(chuàng)新潛能，是當下我們應該重點思考的課題，而美國能源部的做法已經給出了很好的示范，值得我們學習。

陳濟桁先生已為《空天防務觀察》提供5篇專欄文章，如下表：

序號

篇名

發(fā)表日期

1

日本東麗公司推出新一代碳纖維預浸料產品，拉伸強度和抗沖擊性能又提升30％

2017年6月2日

2

復合材料助力貝爾V－280“英勇”傾轉旋翼機發(fā)展

9月22日

3

日本東麗實施并購強化碳纖維復合材料競爭優(yōu)勢

2018年8月27日

4

日本帝人公司開發(fā)新型耐熱抗沖擊預浸料

2019年4月1日

5

美國能源部“利用高性能計算促進能源創(chuàng)新”戰(zhàn)略計劃解析（即本篇）