過去的一段時間里，醫(yī)生、護士和其他相關(guān)工作人員在抗擊新冠疫情的戰(zhàn)斗中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，實際上，計算機科學(xué)家也一直身處這個隊伍當(dāng)中。
位于美國田納西州的橡樹嶺實驗室里，研究人員正在用世界上最快的超級計算機Summit來對多種化合物進行快速模擬，從而篩選出可以預(yù)防新冠病毒感染的化合物。這個研究是“新冠肺炎高性能計算聯(lián)盟”項目的一部分，該聯(lián)盟已為研究新冠肺炎潛在治療方法或疫苗的科學(xué)家免費提供了25臺以上的超級計算機。這種“計算火力”可以幫助科學(xué)家快速執(zhí)行研究計劃，普通電腦上需要花一個月的計算，在超級計算機上可能只需一天。
超級計算機運行中 圖片來源：圖蟲創(chuàng)意
除了對抗新冠病毒，超級計算機平時會被用于應(yīng)對其它全球性挑戰(zhàn)，比如氣候變化。對于超級計算這個領(lǐng)域，GE早已有涉足，近年來，GE持續(xù)探索了多種創(chuàng)新解決方案來利用超級計算能力改進航空發(fā)動機設(shè)計、加速制造流程以及優(yōu)化風(fēng)電場等。
發(fā)動機內(nèi)部一瞥
噴氣式發(fā)動機溫度有多高?高到了科學(xué)家需要用超級計算機來研究如何在盡量減小熱能損失的情況下給發(fā)動機降溫的程度。GE最近參與的一個合作項目就是用超級計算機Summit模擬噴氣式發(fā)動機以及發(fā)電廠燃機內(nèi)部的熱量如何流動。
GE研發(fā)中心熱能科學(xué)小組項目負責(zé)人Michal Osusky和該中心計算流體動力學(xué)(CFD)小組正在利用超級計算機尋找改進噴氣發(fā)動機和發(fā)電裝備的設(shè)計和性能的新方法。圖片來源：GE研發(fā)中心
普通的計算處理系統(tǒng)其速度不足以精確描述發(fā)動機內(nèi)部的情況，所以之前科學(xué)家們只能被迫依賴于估算值。首席熱能工程師Michal Osusky帶領(lǐng)團隊進行了改進高壓渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計的項目，他說，“這開辟了一個全新的預(yù)測領(lǐng)域，這是我們之前無法做到的。”對渦輪機效率而言，哪怕是微小的提高也可以轉(zhuǎn)化為燃料消耗和排放的減少，因此，這個項目只要能實現(xiàn)一點點的效率提高，就可能意味著全球石油和天然氣行業(yè)的巨大成本節(jié)約。
用超級計算機對渦輪溫度和流場進行高保真模擬。
圖片來源：GE研發(fā)中心
超級3D打印
盡管3D打印仍屬于新興行業(yè)，但已受到工程師和設(shè)計師們的青睞。3D打印又稱增材制造，在航空、醫(yī)療、藝術(shù)等各個領(lǐng)域都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。不過，正是因為這是一項新技術(shù)，仍有一些問題有待解決。GE研發(fā)中心的Brent Brunell就表示：“增材制造是一種完全不同的零部件制造方式。雖然我們有能力實現(xiàn)以前從未有過的功能，但我們還沒有設(shè)計工具可以利用。這就是為什么GE、橡樹嶺實驗室和施樂帕克研究中心子公司參與的一家聯(lián)營公司獲得了政府撥款130萬美元，用于開發(fā)計算工具和標(biāo)準(zhǔn)，以加速3D打印設(shè)計和原型開發(fā)。
該GIF展示了換熱器的熱優(yōu)化設(shè)計演變，使用了增強的多物理場拓撲優(yōu)化工具。圖片來源：GE研發(fā)中心
GE和其合作伙伴打算編制一個可用于3D打印的材料數(shù)據(jù)庫。他們還將分析包括打印速度在內(nèi)的其他因素，以找到提高原型質(zhì)量的方法。Summit超級計算機每秒可以完成20萬兆次的計算，它將跟蹤單個部件在打印時的溫度、應(yīng)力和壓力。該聯(lián)營公司認為，它可以將設(shè)計和確定3D打印組件的時間縮短三分之二。
數(shù)字游戲
Summit超級計算機可謂非常忙碌。去年10月，GE增材制造與橡樹嶺實驗室簽署了一項為期五年的合作研發(fā)協(xié)議，旨在提高3D打印產(chǎn)品的精度和質(zhì)量一致性。許多工業(yè)3D打印機通過激光將金屬粉末的薄層融合在一起來制造零件，即使是一個微小的錯誤也可能導(dǎo)致一個大問題。GE增材制造與橡樹嶺實驗室的合作結(jié)合了雙方各自的專業(yè)性。GE的專業(yè)性就在于開發(fā)含3D打印零件的產(chǎn)品方面的實際經(jīng)驗，例如GE9X和Catalyst渦輪螺旋槳發(fā)動機就包括了許多3D打印零件。
在目前全球最強大的計算機Summit的幫助下，科學(xué)家可以處理大量的制造業(yè)數(shù)據(jù)。圖片來源：圖片來源：橡樹嶺國家實驗室
許多3D打印機都配備了傳感器，可以從每臺設(shè)備上收集大量數(shù)據(jù)以便進行分析，讓整個打印過程更加高效和可靠。傳統(tǒng)的計算機可能需要很長時間來處理這些數(shù)據(jù)，在超級計算機Summit這就不需要很久了。GE增材制造設(shè)計和開發(fā)經(jīng)理Brian Thompson說：“這種計算能力挖掘了令人振奮的潛能，讓我們可以更快地分析數(shù)據(jù)?！?/FONT>
捕捉風(fēng)能
去年，一篇發(fā)表在《自然能源》雜志上的論文發(fā)現(xiàn)，如今的巨型風(fēng)機會導(dǎo)致風(fēng)速的下降，而降速會影響到遠至30英里(48.28公里)之外的其他風(fēng)機。這種尾流效應(yīng)會導(dǎo)致風(fēng)電場風(fēng)能的損失和經(jīng)濟效益的降低。
氣流繞翼型流動模擬 圖片來源：GE研發(fā)中心
那么，風(fēng)電場如何才能確保他們的收益最大?這是GE工程師面臨的挑戰(zhàn)，他們正使用超級計算機創(chuàng)建了詳細模型，模擬風(fēng)在現(xiàn)實世界中的運動。在CRAY XC超級計算機的幫助下，他們可以精確地模擬整個5000英畝(約20平方千米)土地上的氣流，這可能會幫助優(yōu)化風(fēng)機和風(fēng)電場布局，從而以更低的成本獲得更多的能源。
當(dāng)人工智能擁有好奇心
通常情況下，風(fēng)電場的人工智能模型可能會不斷調(diào)整風(fēng)機，以便盡可能多地輸出能量。但是，當(dāng)一陣意外風(fēng)超出力模型設(shè)定的參數(shù)時，會發(fā)生什么呢?GE項目負責(zé)人Colin Parris和他的團隊一直在開發(fā)“謙遜人工智能”，讓人工智能意識到“自己還需要學(xué)習(xí)”，當(dāng)人工智能遇到無法識別的情況，可以先自動切換到安全的操作模式。
下一步則是讓安全模式下的人工智能變得“好奇”：教它識別哪些數(shù)據(jù)變量丟失了，并找出丟失的數(shù)據(jù)，這可以幫助GE工程師編寫更好的軟件模型。提高預(yù)測技能最有效的方法之一是連接到高功率模擬器，比如阿貢實驗室的模擬器。Parris和他的團隊已經(jīng)與阿貢實驗室合作，進入其實驗室使用超級計算機進行更詳細和準(zhǔn)確的天氣模擬。GE研究小組運行的模擬計算越多，模型就越聰明。最終目標(biāo)是什么呢?提高發(fā)電量增量收益，降低風(fēng)力發(fā)電成本。
（轉(zhuǎn)載）
