每投(tou)入1美(mei)元于高性(xing)能計算，83美(mei)元的(de)收(shou)入，20美(mei)元的(de)利潤！

眾所周(zhou)知(zhi)，制造(zao)業(ye)(ye)(ye)產(chan)(chan)業(ye)(ye)(ye)鏈橫跨(kua)了許多行(xing)業(ye)(ye)(ye)，從產(chan)(chan)業(ye)(ye)(ye)上游(you)到終端下游(you)，形成了一個全球的(de)(de)(de)生產(chan)(chan)銷售市(shi)(shi)場產(chan)(chan)業(ye)(ye)(ye)鏈。制造(zao)業(ye)(ye)(ye)在(zai)(zai)最近十年(nian)內(nei)(nei)逐漸顯現出強勁的(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)上升(sheng)趨(qu)勢(shi)。在(zai)(zai)這個不斷增(zeng)長且競爭激烈的(de)(de)(de)市(shi)(shi)場，整個供應鏈的(de)(de)(de)制造(zao)商(shang)(shang)都要以低成本提(ti)供最高(gao)質量的(de)(de)(de)產(chan)(chan)品，同(tong)時面(mian)臨提(ti)高(gao)生產(chan)(chan)率和上市(shi)(shi)時間的(de)(de)(de)挑(tiao)戰。這就(jiu)是說(shuo)，新產(chan)(chan)品發(fa)布的(de)(de)(de)周(zhou)期(qi)也越(yue)(yue)來(lai)越(yue)(yue)短，產(chan)(chan)品的(de)(de)(de)成本也要求越(yue)(yue)來(lai)越(yue)(yue)低。比如某飛機發(fa)動機研發(fa)商(shang)(shang)原(yuan)來(lai)的(de)(de)(de)設(she)計(ji)研發(fa)周(zhou)期(qi)要好幾年(nian)，現在(zai)(zai)必須要以月來(lai)計(ji)算。因為在(zai)(zai)競標的(de)(de)(de)市(shi)(shi)場上，誰能在(zai)(zai)短時間內(nei)(nei)拿出成熟的(de)(de)(de)設(she)計(ji)方案，誰就(jiu)贏得(de)了標的(de)(de)(de)，還(huan)有芯(xin)片制造(zao)也是誰先發(fa)布誰先霸(ba)占著(zhu)市(shi)(shi)場。

為了克服這些挑戰，制造業(ye)就不得不面臨(lin)產(chan)品設計與制造的(de)(de)數字化轉(zhuan)(zhuan)型。制造商們正在通過一(yi)系列新的(de)(de)數字技術完善現(xian)有的(de)(de)計算機輔助(zhu)設計（CAD）、計算機輔助(zhu)工程(cheng)（CAE）和(he)計算機輔助(zhu)制造（CAM）工具加速數字化轉(zhuan)(zhuan)型。

這些(xie)新技術包括：

3D打(da)印技術（3D打(da)印機、機器人和自適應控制加工）

智能成品（使用物(wu)聯(lian)網的(de)聯(lian)網車(che)輛(liang)）

大數(shu)據分析，對產(chan)業鏈上生成的(de)那些快速(su)增長的(de)，多(duo)樣的(de)，多(duo)變的(de)海量數(shu)據進行分析。

人機交互(hu)的新形式；比(bi)如觸摸設(she)備，語音(yin)和(he)可視化的處理；機器學習(xi)和(he)人工(gong)智能(neng)（AI ）

這(zhe)些技術(shu)加上快速無處不(bu)在(zai)的互聯網連接、高性能計算(suan)(HPC)，可(ke)擴展存儲和(he)(he)數(shu)據管理(li)系統為制造(zao)商在(zai)整(zheng)個產品(pin)生(sheng)命周期中收集、聚(ju)合(he)和(he)(he)分析數(shu)據提(ti)供了前(qian)所未有(you)的能力。從概念(nian)設計、虛擬和(he)(he)物理(li)產品(pin)開發到(dao)售后(hou)服務的數(shu)據都可(ke)以進(jin)行(xing)整(zheng)合(he)和(he)(he)分析。這(zhe)有(you)助于制造(zao)商進(jin)一步提(ti)高生(sheng)產場地和(he)(he)生(sheng)產設備(bei)的效率，優化(hua)產品(pin)線的維護時間表(biao)，提(ti)供對產品(pin)消費(fei)者(zhe)使用模式的更深入的了解(jie)，分清產品(pin)售后(hou)的責任和(he)(he)義務，減少風險。

CAE的(de)下一個時代是數字孿生(sheng)（Digital Twin）。

數字孿生虛(xu)擬產(chan)品(pin)(pin)開發(fa)在(zai)產(chan)品(pin)(pin)設(she)計和開發(fa)中已經被廣泛(fan)使用了數十年(nian)中，CAE在(zai)縮短產(chan)品(pin)(pin)生產(chan)周(zhou)期(qi)，優(you)化設(she)計，防止高昂的(de)(de)(de)(de)返工得到了廣泛(fan)認(ren)可(ke)。預計CAE軟件市場(chang)的(de)(de)(de)(de)年(nian)增長率將超過11%，2026年(nian)會突破97億(yi)美元。有了這些虛(xu)擬產(chan)品(pin)(pin)，工程師就(jiu)可(ke)以任意的(de)(de)(de)(de)，不受(shou)拘(ju)束的(de)(de)(de)(de)設(she)計和測試新(xin)產(chan)品(pin)(pin)，而無需實際構建許多昂貴(gui)的(de)(de)(de)(de)原型。這可(ke)以迅速(su)避(bi)免(mian)大量失敗的(de)(de)(de)(de)物理(li)實驗(yan)，讓公司只專注于最有市場(chang)潛力的(de)(de)(de)(de)成(cheng)功(gong)產(chan)品(pin)(pin)設(she)計。在(zai)正式投(tou)入生產(chan)前，不僅(jin)可(ke)以通(tong)過在(zai)設(she)計周(zhou)期(qi)的(de)(de)(de)(de)早期(qi)發(fa)現問題來降(jiang)低(di)企(qi)業風險，還(huan)可(ke)以降(jiang)低(di)保修成(cheng)本，避(bi)免(mian)產(chan)品(pin)(pin)失效導(dao)致的(de)(de)(de)(de)傷害，減少潛在(zai)的(de)(de)(de)(de)法律訴訟。

在過去(qu)的十(shi)年中，針對(dui)仿(fang)真、設計和(he)優化復雜的系(xi)統，多(duo)學科(ke)CAE（結(jie)合(he)流體力學，結(jie)構分析，機械動(dong)力學，電(dian)磁學等(deng)）和(he)迭代設計和(he)探索研究(jiu)已(yi)經成為(wei)非常流行。

多學科(ke)CAE 需(xu)要(yao)仿(fang)真多種類型結合在一起的(de)(de)物體(ti)如(ru)何在系統和(he)部(bu)件間的(de)(de)在各種條(tiao)件下(xia)的(de)(de)相互(hu)作用情況。這些全(quan)面(mian)、高(gao)保真的(de)(de)多重(zhong)物體(ti)的(de)(de)模擬仿(fang)真使(shi)用的(de)(de)是非常詳細的(de)(de)幾何模型（大(da)網(wang)格）來準確(que)模擬復雜(za)產(chan)品在真實世界環境(jing)中的(de)(de)行為(wei)。這些多學科(ke)的(de)(de)設計工作量極(ji)大(da)地刺激了HPC和(he)存儲基(ji)礎設施的(de)(de)增長，同時CAE本(ben)身也在不斷進(jin)步(bu)以(yi)處理復雜(za)的(de)(de)智能互(hu)聯(lian)產(chan)品。設計、開發、制造、服務和(he)運營(ying)這些智能互(hu)聯(lian)產(chan)品對(dui)當今的(de)(de)HPC系統也是一個(ge)極(ji)大(da)的(de)(de)挑(tiao)戰。

人(ren)工(gong)智能結合HPC將(jiang)制造效率(lv)提升到(dao)一個新水平

如今一些企業(ye)正(zheng)在結合人(ren)(ren)工(gong)智能（AI ）的自學(xue)習能力(li)和高性能計(ji)算的并行(xing)處理系統(tong)(HPC)來(lai)制定業(ye)務流程，希(xi)望用更(geng)(geng)短的時間(jian)完成更(geng)(geng)多任(ren)務。目前在國(guo)內(nei)外復雜的環境下(xia)，各垂直行(xing)業(ye)不(bu)得(de)不(bu)加(jia)快(kuai)數字化進程，嘗試結合HPC和人(ren)(ren)工(gong)智能，以同步更(geng)(geng)新數據并建立新的產品(pin)和服務。

Market Watch 預測，基(ji)于(yu)HPC 的(de)人(ren)工智能(neng)收入將(jiang)每年(nian)增長29.5%，因為企業(ye)(ye)(ye)繼續將(jiang)人(ren)工智能(neng)融入其運營(ying)。此(ci)外，隨著人(ren)工智能(neng)、大數據的(de)發展，以及(ji)對更大規模(mo)的(de)傳統建(jian)模(mo)和(he)仿真工作的(de)需求，HPC用戶群正在擴大，包括汽車、制造(zao)業(ye)(ye)(ye)、醫療保(bao)健和(he)BFSI等高增長行業(ye)(ye)(ye)。這些(xie)行業(ye)(ye)(ye)正在采(cai)用HPC技(ji)術來管理大型數據集并擴展其當前應用，尤其是制造(zao)業(ye)(ye)(ye)公(gong)司，為了提高業(ye)(ye)(ye)務效(xiao)率，他們將(jiang)HPC應用在從設計過(guo)程、供應鏈(lian)到產品的(de)交付(fu)，從中受益匪淺。

Hyperion研究公(gong)司的(de)一(yi)項(xiang)研究表明，在制造業每(mei)投資1美元用于(yu)HPC，就(jiu)會(hui)產生83美元的(de)收入(ru)，20美元的(de)利潤。這么說可能有點(dian)抽象，打個(ge)比(bi)方碼頭常見(jian)的(de)集(ji)裝箱(xiang)，它(ta)的(de)制造工藝和用料(liao)經過多年的(de)實(shi)踐(jian)經驗幾乎是一(yi)成不變的(de)，但這并不能說明現在的(de)制造工藝和用料(liao)是最(zui)節省成本且(qie)是裝貨卸(xie)載最(zui)優的(de)解決方案，那如何才能以最(zui)低(di)的(de)成本和最(zui)短(duan)時間研發出新(xin)的(de)集(ji)裝箱(xiang)呢？

使用高性(xing)能計算仿(fang)真(zhen)系統(tong)。讓它來(lai)模(mo)擬(ni)各種材(cai)料以(yi)及工藝制(zhi)造(zao)方法(fa)，假設(she)目前集裝箱通用的(de)鋼板（頂(ding)板和(he)側板）厚度是2mm左右，我們可以(yi)通過高性(xing)能計算仿(fang)真(zhen)系統(tong)模(mo)擬(ni)1.8mm是否可以(yi)滿足運載(zai)貨品的(de)需求，或者(zhe)使用其(qi)他成本更低的(de)材(cai)料代替鋼板，如果(guo)模(mo)擬(ni)結果(guo)成功并最終投入生產，這將能為(wei)企業帶來(lai)不可小覷的(de)財富價值。

同(tong)樣(yang)，他(ta)們正(zheng)在利用(yong)人工(gong)智能(neng)(AI)和機器學習(ML)來(lai)加速創新，洞悉市場變(bian)化，開發(fa)新的(de)產品和服務。麥肯錫(xi)全球(qiu)研究所(McKinsey’s Global Institute)的(de)一份報告顯(xian)示，制造業投資(zi)在人工(gong)智能(neng)方面預計年(nian)營收增(zeng)長率將達到18%，高于(yu)所有其他(ta)行業。

通過(guo)HPC和(he)人工智能優(you)化流程，制造商追求(qiu)的(de)目標就是實現最(zui)佳性能和(he)高質量的(de)產(chan)出，他們把重點放在了用(yong)(yong)HPC資源來(lai)運行人工智能應用(yong)(yong)程序，能夠預見問題的(de)出現，改(gai)進產(chan)品開發過(guo)程，改(gai)善端(duan)到端(duan)的(de)供應鏈(lian)管理。

除此以(yi)(yi)外(wai)，制(zhi)造業的M2M會產生大量(liang)(liang)的有價值的數據(ju)，用HPC來運行復雜(za)和快速的數據(ju)分析程序(xu)，以(yi)(yi)保證基于(yu)大型數據(ju)集得(de)(de)出分析報告的準確性。另一(yi)方面，將(jiang)HPC與(yu)AI應用相結合，使(shi)得(de)(de)生產系統(tong)可以(yi)(yi)自動化的實(shi)時(shi)調整(zheng)，減少故(gu)障時(shi)間，提高產品(pin)質量(liang)(liang)，加(jia)快產品(pin)上市時(shi)間，并使(shi)生產過(guo)程更加(jia)敏捷(jie)。

工業4.0和HPC

工(gong)(gong)業4.0就是“以信(xin)(xin)息(xi)物理系統為基礎的智(zhi)能化(hua)生產”，很多人會從IOT（物聯網(wang)）的概(gai)(gai)念出(chu)發來看待(dai)“智(zhi)能化(hua)”這(zhe)個概(gai)(gai)念，認為就是把物理設(she)備連(lian)接到(dao)互聯網(wang)上(shang)，然后實現(xian)計算(suan)、通(tong)信(xin)(xin)、精準控制和自(zi)我(wo)管(guan)理，來實現(xian)智(zhi)能化(hua)生產。這(zhe)當然沒錯，但HPC在整個工(gong)(gong)業、制造業中起到(dao)的作用也同(tong)樣不可忽視。

在(zai)(zai)制造業(ye)中，一(yi)(yi)個產(chan)品從(cong)設(she)計圖到(dao)CAE模型(xing)的(de)(de)(de)(de)建立，然后進行(xing)仿真、分析、測(ce)試、產(chan)品改良再到(dao)產(chan)品定(ding)型(xing)，以及(ji)產(chan)品定(ding)型(xing)之后的(de)(de)(de)(de)再測(ce)試和(he)量產(chan)，包含(han)了非常(chang)多的(de)(de)(de)(de)步(bu)驟，每一(yi)(yi)個步(bu)驟都不可或缺(que)。但是從(cong)時(shi)間和(he)成(cheng)本(ben)的(de)(de)(de)(de)角度(du)考量，在(zai)(zai)這些步(bu)驟中虛擬的(de)(de)(de)(de)、仿真階(jie)段所花的(de)(de)(de)(de)時(shi)間和(he)成(cheng)本(ben)最低，而一(yi)(yi)旦進入真正的(de)(de)(de)(de)實體產(chan)品階(jie)段，耗費的(de)(de)(de)(de)時(shi)間和(he)成(cheng)本(ben)會很大幅度(du)的(de)(de)(de)(de)向上提升。如(ru)果(guo)能在(zai)(zai)整(zheng)個產(chan)品定(ding)型(xing)之前(qian)，盡量讓虛擬產(chan)品更貼近(jin)現實中的(de)(de)(de)(de)情(qing)況，就可以縮短企業(ye)研發產(chan)品加(jia)快產(chan)品上市的(de)(de)(de)(de)時(shi)間，加(jia)快企業(ye)的(de)(de)(de)(de)創新(xin)速度(du)。

而(er)要實現精準可(ke)靠的(de)(de)建模(mo)(mo)、分析(xi)(xi)，CAE又對(dui)(dui)仿真(zhen)工(gong)具的(de)(de)計(ji)算能力(li)提(ti)出了(le)挑戰，比如在CAE的(de)(de)前處理、有限元分析(xi)(xi)和后(hou)處理過(guo)程(cheng)中，對(dui)(dui)數據的(de)(de)分析(xi)(xi)和圖形(xing)展示(shi)能力(li)有著很高(gao)的(de)(de)要求，這種情況下，HPC可(ke)以幫(bang)助企業(ye)完成精準、可(ke)靠的(de)(de)仿真(zhen)模(mo)(mo)擬分析(xi)(xi)過(guo)程(cheng)，促進企業(ye)甚至整個工(gong)業(ye)制造業(ye)的(de)(de)創新。

勞斯萊斯（RR）是因(yin)為(wei)其(qi)生(sheng)產的(de)(de)(de)豪華汽車(che)以及英國王室的(de)(de)(de)標配汽車(che)而聞名。但是它也(ye)是世界上(shang)最(zui)(zui)成功(gong)的(de)(de)(de)發動機(ji)制(zhi)造者之(zhi)一。其(qi)Trent XWB發動機(ji)是空客A350XWB的(de)(de)(de)唯一動力系統，據稱也(ye)是勞斯萊斯史上(shang)銷售最(zui)(zui)好(hao)的(de)(de)(de)發動機(ji)。與(yu)前任(ren)發動機(ji)相比，Trent XWB可以節省(sheng)20%的(de)(de)(de)油(you)耗，每年在每架飛機(ji)上(shang)能(neng)(neng)為(wei)航空公司就A350節省(sheng)200萬英鎊，而能(neng)(neng)夠實現這種(zhong)能(neng)(neng)效的(de)(de)(de)提升，全靠基于(yu)HPC運(yun)行的(de)(de)(de)CAE／CFD仿真工(gong)具的(de)(de)(de)使(shi)用(yong)。

勞斯(si)萊斯(si)經(jing)驗證明了要想在(zai)給定的設計周(zhou)期內，按(an)照有限的時間和精準(zhun)度要求，完成建模(mo)和分析，只有HPC仿(fang)真和虛擬產品(pin)的環(huan)境中完成。所(suo)以勞斯(si)萊斯(si)構建了自用(yong)的HPC集群(qun)來完成大量的CAE仿(fang)真計算。

高性能計算(suan)可以(yi)在(zai)你意想(xiang)不到的(de)地(di)方發(fa)揮作(zuo)用(yong)(yong)(yong)，比如卡(ka)(ka)(ka)車(che)(che)運輸。卡(ka)(ka)(ka)車(che)(che)大部分(fen)時間都是(shi)處于工作(zuo)狀態（行駛(shi)(shi)(shi)在(zai)道路上），它(ta)的(de)動(dong)力來源(yuan)主要是(shi)汽(qi)油(you)，而行駛(shi)(shi)(shi)中(zhong)的(de)卡(ka)(ka)(ka)車(che)(che)會推動(dong)空氣(qi)，空氣(qi)又會對卡(ka)(ka)(ka)車(che)(che)產生(sheng)阻力，這(zhe)樣就會增(zeng)加油(you)耗，產生(sheng)更多(duo)(duo)的(de)能源(yuan)消(xiao)耗及費用(yong)(yong)(yong)。為了防止在(zai)行駛(shi)(shi)(shi)過程中(zhong)輪胎(tai)圈起路上的(de)泥(ni)土或碎石(shi)等雜物擊(ji)中(zhong)卡(ka)(ka)(ka)車(che)(che)，幾乎所(suo)有(you)的(de)卡(ka)(ka)(ka)車(che)(che)都裝有(you)擋(dang)(dang)泥(ni)板(ban)，而擋(dang)(dang)泥(ni)板(ban)也會為卡(ka)(ka)(ka)車(che)(che)帶來更多(duo)(duo)的(de)阻力與汽(qi)油(you)消(xiao)耗，所(suo)以(yi)有(you)家卡(ka)(ka)(ka)車(che)(che)制造商想(xiang)改進這(zhe)個裝置，以(yi)減少能源(yuan)消(xiao)耗和對卡(ka)(ka)(ka)車(che)(che)的(de)損耗。他們利(li)用(yong)(yong)(yong)HPC工業仿真平臺準確(que)計算(suan)出(chu)擋(dang)(dang)泥(ni)板(ban)大小、形(xing)狀，從而設計出(chu)一套更為節能的(de)優化方案，使每一輛(liang)卡(ka)(ka)(ka)車(che)(che)一年的(de)汽(qi)油(you)費用(yong)(yong)(yong)減少了400美元。

雖然(ran)這聽起(qi)來對一輛卡(ka)(ka)(ka)車(che)來說并不(bu)多，但當你擁有1000 輛卡(ka)(ka)(ka)車(che)的車(che)隊時，這些節省加起(qi)來非常可(ke)觀(guan)了。現在(zai)該公司的HPC設計已經(jing)不(bu)僅(jin)限于擋泥板，他們(men)正在(zai)使用HPC幫(bang)助設計卡(ka)(ka)(ka)車(che)的各項(xiang)裝置設備(bei)，以提(ti)高卡(ka)(ka)(ka)車(che)的工作(zuo)效率，從而節省更多的費(fei)用和金錢。

在(zai)其他領(ling)域(yu)HPC也(ye)在(zai)發揮(hui)著重要的(de)作用(yong)(yong)(yong)。比如(ru)依靠人工振動(dong)波來還(huan)原地下構造和信(xin)息的(de)石(shi)油勘(kan)探(tan)，就一直是(shi)HPC使用(yong)(yong)(yong)的(de)最大(da)的(de)用(yong)(yong)(yong)戶之一，隨著勘(kan)探(tan)節奏越(yue)(yue)(yue)來越(yue)(yue)(yue)快，要求處(chu)理的(de)周(zhou)期越(yue)(yue)(yue)來越(yue)(yue)(yue)短，以(yi)及(ji)為(wei)了實(shi)現(xian)更高(gao)的(de)精度(du)(du)所(suo)需的(de)復雜算(suan)(suan)法(fa)和數據(ju)處(chu)理需要，現(xian)在(zai)勘(kan)探(tan)行業對HPC的(de)能力需求也(ye)越(yue)(yue)(yue)來越(yue)(yue)(yue)大(da)。想一想，如(ru)果選用(yong)(yong)(yong)準確度(du)(du)不(bu)高(gao)的(de)算(suan)(suan)法(fa)，選定(ding)地址一口井打下去(qu)一個億的(de)資金(jin)沒(mei)了，企業愿(yuan)不(bu)愿(yuan)意在(zai)算(suan)(suan)法(fa)和高(gao)性能計算(suan)(suan)上投錢(qian)呢？

可(ke)以說，HPC與現代工業(ye)應用已經密不可(ke)分。但是(shi)不是(shi)只有(you)這些高、精、尖的工業(ye)、制造業(ye)才用得到HPC呢？這個問題我們下(xia)期繼(ji)續聊。