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為實現(xiàn)我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，國家已經(jīng)制定《中國制造2025》行動綱領(lǐng)，而在產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新過程中，占據(jù)關(guān)鍵核心地位的產(chǎn)品設(shè)計和優(yōu)化，都離不開基于高性能計算的模擬仿真與數(shù)據(jù)處理。

高性能計算機的能力未能很好地融入到支撐企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的環(huán)境之中。圖片來源：百度圖片

新一代信息通訊技術(shù)、智能科學(xué)技術(shù)與制造技術(shù)的深度融合，引發(fā)了制造業(yè)制造模式、制造手段、生態(tài)系統(tǒng)等的重大變革。作為國計民生和國家安全的重要基石，制造業(yè)正面臨著上述變革帶來的諸多挑戰(zhàn)。

面對挑戰(zhàn)，各國紛紛制定國家制造計劃。美國的“國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計劃”、德國的“工業(yè)4.0計劃”、英國的“智能制造計劃”及“高價值制造計劃”、法國的“未來智能工廠計劃”、歐盟的“智能制造系統(tǒng)2020計劃”以及日本的“2015年版制造業(yè)白皮書”都對遭遇的類似我國制造業(yè)的挑戰(zhàn)作出回應(yīng)。

“為實現(xiàn)我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，國家已經(jīng)制定‘中國制造2025’行動綱領(lǐng)，而在產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新過程中，占據(jù)關(guān)鍵核心地位的產(chǎn)品設(shè)計和優(yōu)化，都離不開基于高性能計算的模擬仿真與數(shù)據(jù)處理。”近日，在無錫舉辦的第247場中國工程科技論壇上，中國工程院院士陳左寧表示，超級計算機與先進制造兩個領(lǐng)域亟須解決目前存在的關(guān)鍵問題、有待打通的關(guān)鍵技術(shù)路線以及其他相關(guān)限制因素，迎接“互聯(lián)網(wǎng)+”與“人工智能+”時代的變革。

制造業(yè)高性能計算機滯后

隨著我國相繼提出“‘互聯(lián)網(wǎng)+’行動計劃”、“中國制造2025發(fā)展戰(zhàn)略”，《國務(wù)院關(guān)于深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的指導(dǎo)意見》等，我國智慧制造業(yè)的發(fā)展逐漸提上日程。

2009年，中國工程院院士李伯虎主導(dǎo)的研究團隊提出“云制造”的理念并開始以網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化為主要特征的云制造的研究與實踐。經(jīng)過幾年的發(fā)展，云制造已經(jīng)由1.0時代步入“智慧云制造”的2.0時代。

基于泛在網(wǎng)絡(luò)，智慧云制造借助新興的（大）制造技術(shù)、信息通信技術(shù)、智能科學(xué)技術(shù)及制造應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)等四類技術(shù)深度融合的智能化技術(shù)手段，構(gòu)成以用戶為中心、統(tǒng)一經(jīng)營的服務(wù)云，進而優(yōu)質(zhì)地完成制造全生命周期的活動。

李伯虎表示，在智慧云制造體系中，用戶通過智慧終端及智慧云制造服務(wù)平臺便能隨時隨地按需獲取智慧制造資源與能力，對制造全系統(tǒng)、全產(chǎn)業(yè)鏈中的人、機、物、環(huán)境、信息進行自主智慧的感知、互聯(lián)、協(xié)同、學(xué)習(xí)、分析、認知、決策、控制與執(zhí)行。智慧云制造促使制造全系統(tǒng)及全生命周期活動中的人/組織、經(jīng)營管理、技術(shù)設(shè)備（三要素）及信息流、物流、資金流、知識流、服務(wù)流（五流）實現(xiàn)集成優(yōu)化，是“互聯(lián)網(wǎng)+”與“人工智能+”時代的一種智能制造模式、手段和業(yè)態(tài)，是云計算的落地和拓展。

智慧制造業(yè)的快速發(fā)展要求相關(guān)支撐技術(shù)的進一步跟進，但是，我國制造業(yè)領(lǐng)域的高性能計算機卻嚴重滯后。陳左寧表示，在科技部高性能計算專項的持續(xù)支持下，我國的高性能計算硬件平臺已有了長足的進步。國家超級計算無錫中心的“神威·太湖之光”超算系統(tǒng)，首次突破每秒十億億次的峰值運算速度，是全球最快的超級計算機。但是，“與國產(chǎn)高性能硬件技術(shù)的飛速發(fā)展相比較，面向先進制造領(lǐng)域的工業(yè)設(shè)計軟件發(fā)展卻嚴重滯后”。

“航空工業(yè)、船舶工業(yè)、先進軌道交通、電子設(shè)計、汽車制造、新材料、生物醫(yī)藥、新能源等行業(yè)，仍嚴重依賴于外國公司的商業(yè)軟件，在計算規(guī)模及計算精度上受到諸多限制，無法支撐相應(yīng)企業(yè)進行開創(chuàng)性的研發(fā)工作。”陳左寧表示，目前，高性能計算機的能力未能很好地融入到支撐企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的環(huán)境之中。

超級計算面臨挑戰(zhàn)

中國工程院院士尤政表示，制造業(yè)的升級換代依賴于以相應(yīng)領(lǐng)域科學(xué)理論為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬與仿真，而超級計算機的并行處理能力，則是數(shù)值模擬與仿真應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。“神威·太湖之光的問世，為我國先進制造的研究提供了巨大的契機，也為兩個學(xué)科的進一步交叉與融合提供了重大的機遇”。

對此，李伯虎表示，“新技術(shù)革命和新產(chǎn)業(yè)變革正蓄勢待發(fā)，‘創(chuàng)新、綠色、開放、共享、個性’是‘互聯(lián)網(wǎng)+’和‘人工智能+’的時代需求，超算技術(shù)已經(jīng)成為智慧制造云建設(shè)與運行的關(guān)鍵技術(shù)，是智慧制造云實現(xiàn)智慧化的重要組成部分。”但是，智慧制造云也對超算技術(shù)構(gòu)成了一定的挑戰(zhàn)，這首先表現(xiàn)為智慧制造云對超算技術(shù)的應(yīng)用需求。

虛擬樣機工程是這種應(yīng)用需求的重要內(nèi)容，復(fù)雜產(chǎn)品虛擬樣機需要專門的支撐軟件進行異構(gòu)集成，而且需要龐大的計算能力進行并行優(yōu)化。智慧制造云對超算技術(shù)的應(yīng)用需求還包括大數(shù)據(jù)的智能處理、云服務(wù)、人工智能等問題。

李伯虎表示，智慧制造云數(shù)據(jù)體量巨大，以典型智能工廠項目工控網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲為例，一個傳感器每秒產(chǎn)生8000個數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)中超1萬個傳感器，每秒產(chǎn)生800MB的傳感數(shù)據(jù)，每月產(chǎn)生的傳感數(shù)據(jù)為2.5TB。如此龐大的傳感數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)存儲、并發(fā)處理要求極高，而且，這些數(shù)據(jù)產(chǎn)生速度快，目前的智慧制造云運行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)從PB至EB級不等，并呈現(xiàn)增長趨勢，從這些海量的數(shù)據(jù)中提取數(shù)據(jù)速度的快慢決定了智慧制造云平臺提供服務(wù)的效率，也對超級計算提出了較高的要求。

此外，云服務(wù)需要制造資源的虛擬化與服務(wù)化，為用戶提供按需動態(tài)組合的多類制造服務(wù)環(huán)境和高性能、安全可靠的協(xié)同制造運行環(huán)境，提供以用戶為中心的分布、協(xié)同、交互的制造工作模式。“智慧制造云”場景要求制造能力的海量接入，形成擁有海量制造節(jié)點的制造云，具有復(fù)雜智能系統(tǒng)的一系列類型特點，需要以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能引擎支持系統(tǒng)自主智能地進行“感知—協(xié)同—學(xué)習(xí)—分析—決策—執(zhí)行”，涉及到處理人工智能的問題。這些都是超級計算與先進制造協(xié)同發(fā)展中面臨的挑戰(zhàn)。

李伯虎介紹道，這種挑戰(zhàn)還表現(xiàn)在面向智慧制造云的超算技術(shù)研究上，包括面向智慧制造云的建模理論與方法，面向智慧制造云的超算系統(tǒng)技術(shù)，面向智慧制造云的超算系統(tǒng)應(yīng)用工程技術(shù)。

技術(shù)、應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)三重突破

利用超算行業(yè)的計算優(yōu)勢為中國制造的創(chuàng)新升級提供基礎(chǔ)支撐和服務(wù)平臺，實現(xiàn)我國從制造大國向制造強國的轉(zhuǎn)變，是時代的需求也是趨勢所在。李伯虎表示，要從技術(shù)、應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)三個方向進行面向智慧制造云的超級計算的研究和探索。

李伯虎認為，在技術(shù)方面，要重視超算技術(shù)基礎(chǔ)理論、算法、系統(tǒng)問題的持續(xù)研究，如嵌入式超算硬件等；重視研究超算技術(shù)與信息通信技術(shù)、人工智能技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)與制造領(lǐng)域技術(shù)等多種技術(shù)的深度融合；重視研究面向用戶的超算云服務(wù)技術(shù)；重視基于超算技術(shù)的制造業(yè)全生命周期的新技術(shù)研究，如基于超算技術(shù)的CPS技術(shù)等；重視安全技術(shù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和評估指標(biāo)體系的技術(shù)研究。

“在應(yīng)用方面，要突出制造特色與行業(yè)特點；突出問題為導(dǎo)向；突出基于超算技術(shù)的智慧云制造運行的模式、手段和業(yè)態(tài)的變革；突出制造‘三要素’‘五流’的綜合集成化、優(yōu)化和智慧化。”李伯虎表示，要融合擴展現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)化建模與仿真技術(shù)、云計算、服務(wù)計算，以及虛擬化、高性能計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)。

產(chǎn)業(yè)方面，李伯虎建議，要加強面向智慧制造云的超算技術(shù)工具集和平臺的研發(fā)，加強面向智慧制造云系統(tǒng)的構(gòu)建與運行，加強面向智慧制造云的超算云數(shù)據(jù)中心的運營服務(wù)。