超級計算期待“聯姻”智慧制造云
http://m.sharifulalam.com 2017-05-04 17:08 來源：中國科學報
為實現我國制造業的轉型升級，國家已經制定《中國制造2025》行動綱領，而在產業創新過程中，占據關鍵核心地位的產品設計和優化，都離不開基于高性能計算的模擬仿真與數據處理。
高性能計算機的能力未能很好地融入到支撐企業創新發展的環境之中。圖片來源：百度圖片
新一代信息通訊技術、智能科學技術與制造技術的深度融合，引發了制造業制造模式、制造手段、生態系統等的重大變革。作為國計民生和國家安全的重要基石，制造業正面臨著上述變革帶來的諸多挑戰。
面對挑戰，各國紛紛制定國家制造計劃。美國的“國家制造業創新網絡計劃”、德國的“工業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2020計劃”以及日本的“2015年版制造業白皮書”都對遭遇的類似我國制造業的挑戰作出回應。
“為實現我國制造業的轉型升級，國家已經制定‘中國制造2025’行動綱領，而在產業創新過程中，占據關鍵核心地位的產品設計和優化，都離不開基于高性能計算的模擬仿真與數據處理。”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域亟須解決目前存在的關鍵問題、有待打通的關鍵技術路線以及其他相關限制因素，迎接“互聯網+”與“人工智能+”時代的變革。
制造業高性能計算機滯后
隨著我國相繼提出“‘互聯網+’行動計劃”、“中國制造2025發展戰略”，《國務院關于深化制造業與互聯網融合發展的指導意見》等，我國智慧制造業的發展逐漸提上日程。
2009年，中國工程院院士李伯虎主導的研究團隊提出“云制造”的理念并開始以網絡化、服務化為主要特征的云制造的研究與實踐。經過幾年的發展，云制造已經由1.0時代步入“智慧云制造”的2.0時代。
基于泛在網絡，智慧云制造借助新興的（大）制造技術、信息通信技術、智能科學技術及制造應用領域技術等四類技術深度融合的智能化技術手段，構成以用戶為中心、統一經營的服務云，進而優質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、全產業鏈中的人、機、物、環境、信息進行自主智慧的感知、互聯、協同、學習、分析、認知、決策、控制與執行。智慧云制造促使制造全系統及全生命周期活動中的人/組織、經營管理、技術設備（三要素）及信息流、物流、資金流、知識流、服務流（五流）實現集成優化，是“互聯網+”與“人工智能+”時代的一種智能制造模式、手段和業態，是云計算的落地和拓展。
智慧制造業的快速發展要求相關支撐技術的進一步跟進，但是，我國制造業領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，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，“與國產高性能硬件技術的飛速發展相比較，面向先進制造領域的工業設計軟件發展卻嚴重滯后”。
“航空工業、船舶工業、先進軌道交通、電子設計、汽車制造、新材料、生物醫藥、新能源等行業，仍嚴重依賴于外國公司的商業軟件，在計算規模及計算精度上受到諸多限制，無法支撐相應企業進行開創性的研發工作。”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創新發展的環境之中。
超級計算面臨挑戰
中國工程院院士尤政表示，制造業的升級換代依賴于以相應領域科學理論為基礎的數值模擬與仿真，而超級計算機的并行處理能力，則是數值模擬與仿真應用的重要基礎。“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，“新技術革命和新產業變革正蓄勢待發，‘創新、綠色、開放、共享、個性’是‘互聯網+’和‘人工智能+’的時代需求，超算技術已經成為智慧制造云建設與運行的關鍵技術，是智慧制造云實現智慧化的重要組成部分。”但是，智慧制造云也對超算技術構成了一定的挑戰，這首先表現為智慧制造云對超算技術的應用需求。
虛擬樣機工程是這種應用需求的重要內容，復雜產品虛擬樣機需要專門的支撐軟件進行異構集成，而且需要龐大的計算能力進行并行優化。智慧制造云對超算技術的應用需求還包括大數據的智能處理、云服務、人工智能等問題。
李伯虎表示，智慧制造云數據體量巨大，以典型智能工廠項目工控網絡數據存儲為例，一個傳感器每秒產生8000個數據包，網絡中超1萬個傳感器，每秒產生800MB的傳感數據，每月產生的傳感數據為2.5TB。如此龐大的傳感數據對數據存儲、并發處理要求極高，而且，這些數據產生速度快，目前的智慧制造云運行中產生的數據從PB至EB級不等，并呈現增長趨勢，從這些海量的數據中提取數據速度的快慢決定了智慧制造云平臺提供服務的效率，也對超級計算提出了較高的要求。
此外，云服務需要制造資源的虛擬化與服務化，為用戶提供按需動態組合的多類制造服務環境和高性能、安全可靠的協同制造運行環境，提供以用戶為中心的分布、協同、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點的制造云，具有復雜智能系統的一系列類型特點，需要以深度學習為代表的人工智能引擎支持系統自主智能地進行“感知—協同—學習—分析—決策—執行”，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同發展中面臨的挑戰。
李伯虎介紹道，這種挑戰還表現在面向智慧制造云的超算技術研究上，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技術，面向智慧制造云的超算系統應用工程技術。
技術、應用、產業三重突破
利用超算行業的計算優勢為中國制造的創新升級提供基礎支撐和服務平臺，實現我國從制造大國向制造強國的轉變，是時代的需求也是趨勢所在。李伯虎表示，要從技術、應用、產業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，在技術方面，要重視超算技術基礎理論、算法、系統問題的持續研究，如嵌入式超算硬件等；重視研究超算技術與信息通信技術、人工智能技術、系統工程技術與制造領域技術等多種技術的深度融合；重視研究面向用戶的超算云服務技術；重視基于超算技術的制造業全生命周期的新技術研究，如基于超算技術的CPS技術等；重視安全技術及相關標準和評估指標體系的技術研究。
“在應用方面，要突出制造特色與行業特點；突出問題為導向；突出基于超算技術的智慧云制造運行的模式、手段和業態的變革；突出制造‘三要素’‘五流’的綜合集成化、優化和智慧化。”李伯虎表示，要融合擴展現有網絡化建模與仿真技術、云計算、服務計算，以及虛擬化、高性能計算、大數據、物聯網等新興技術。
產業方面，李伯虎建議，要加強面向智慧制造云的超算技術工具集和平臺的研發，加強面向智慧制造云系統的構建與運行，加強面向智慧制造云的超算云數據中心的運營服務。
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