發(fā)展工業(yè)軟件　助力中國(guó)智造

羅燕

材料計(jì)算專家汪林望

隨著互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，制造業(yè)的智能化水平逐步提高，工業(yè)4.0時(shí)代來(lái)臨。

各行各業(yè)都將迎來(lái)變革，傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)勢(shì)在必行。如何提高企業(yè)的數(shù)字化水平？如何實(shí)現(xiàn)由中國(guó)制造到“中國(guó)智造”的轉(zhuǎn)變？這些都是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要問(wèn)題，值得深入關(guān)注。

“這是一個(gè)很好的時(shí)機(jī)”

“如果30年前我在計(jì)算機(jī)上提交一個(gè)任務(wù)，它可能到現(xiàn)在還沒(méi)算完。但如果我現(xiàn)在重新提交這個(gè)任務(wù)，用現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)，幾個(gè)小時(shí)就算完了?！碧岬接?jì)算機(jī)的發(fā)展，汪林望經(jīng)常這樣假設(shè)。

汪林望是國(guó)際知名材料計(jì)算專家，曾在美國(guó)頂尖研究機(jī)構(gòu)擔(dān)任資深研究員，去年退休回國(guó)。30多年來(lái)，他在計(jì)算方法和跨尺度材料計(jì)算領(lǐng)域深耕，發(fā)展了10多種算法和程序，被廣泛應(yīng)用。

計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度、計(jì)算能力出現(xiàn)了幾十萬(wàn)倍的增長(zhǎng)，帶來(lái)了一系列革命性的變化。顯而易見(jiàn)的變化是，網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物的流行，數(shù)字經(jīng)濟(jì)的到來(lái)。

“它同樣帶來(lái)了科技上的革命，如材料計(jì)算學(xué)的興起?！蓖袅滞f(shuō)，大尺度、長(zhǎng)時(shí)間物理建模能力的顯著提升，使得材料計(jì)算能夠以從頭算的高精度計(jì)算材料特性，并用來(lái)預(yù)測(cè)多種材料類型的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)新的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，人工智能（AI）也開(kāi)始被用來(lái)探索材料的組成空間，識(shí)別新的結(jié)構(gòu)。在生物材料、能源材料等應(yīng)用領(lǐng)域，如何將包括物理建模、數(shù)據(jù)科學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)的計(jì)算方法與材料表征、合成和加工方法相結(jié)合，加強(qiáng)對(duì)材料原子尺度過(guò)程的基本理解，加速材料發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，已經(jīng)成為工業(yè)界重要的發(fā)展方向。

“材料計(jì)算在工業(yè)界真的派得上用場(chǎng)，它推動(dòng)的不是某個(gè)行業(yè)、某個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的變革，而是整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的變革?！蓖袅滞f(shuō)。

中國(guó)正處于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)口，對(duì)工業(yè)升級(jí)十分重視，支持力度非常大，市場(chǎng)投資熱情也很高，汪林望認(rèn)為，“這是一個(gè)很好的時(shí)機(jī)”。

攻堅(jiān)科技硬核? 提升軟實(shí)力

多年來(lái)，雖然身在國(guó)外，但汪林望一直密切關(guān)注中國(guó)工業(yè)的發(fā)展。他發(fā)現(xiàn)，中國(guó)很多企業(yè)的生產(chǎn)水平已領(lǐng)先世界，如鋰電池、光伏產(chǎn)業(yè)、稀有金屬行業(yè)等?！爱a(chǎn)業(yè)要再升級(jí)，必須在研發(fā)上投入更多?！?/p>

然而，有些企業(yè)不重視研發(fā)，或者在研發(fā)方面投入很少。有的企業(yè)想進(jìn)行研發(fā)，但研發(fā)能力不足。在汪林望看來(lái)，在工業(yè)4.0時(shí)代，材料是關(guān)鍵，它是整個(gè)工業(yè)高科技的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。比如，在碳中和新能源、后摩爾時(shí)代的微電子、生物制藥等領(lǐng)域，重要的不是設(shè)計(jì)一個(gè)零部件或一臺(tái)機(jī)器，而是原子分子層面的材料研發(fā)和設(shè)計(jì)。

汪林望現(xiàn)在擔(dān)任北京龍訊曠騰科技有限公司首席科學(xué)家。這家企業(yè)自2015年成立以來(lái)便致力于國(guó)內(nèi)材料計(jì)算模擬工具軟件研發(fā)，將基于量子力學(xué)的原子級(jí)別計(jì)算應(yīng)用到研發(fā)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。企業(yè)的愿景是開(kāi)發(fā)一款以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，原子層面的材料工業(yè)軟件。但汪林望發(fā)現(xiàn)，工業(yè)界習(xí)慣于傳統(tǒng)的研發(fā)模式，對(duì)材料計(jì)算普遍不了解?！靶枰ㄟ^(guò)一定的教育告訴他們，現(xiàn)在已經(jīng)可以通過(guò)計(jì)算模擬的方法加速新材料研發(fā)了?！?/p>

軟件對(duì)于企業(yè)的研發(fā)至關(guān)重要。國(guó)際上也有很多開(kāi)源軟件，但不少企業(yè)研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)，各種開(kāi)源軟件并不好用。汪林望計(jì)劃把這些開(kāi)源軟件集成起來(lái)，處理得比較“光滑”，放到一個(gè)大的網(wǎng)上平臺(tái)，便于用戶使用。

“對(duì)很多情況，特別是在各種AI技術(shù)的幫助下，模擬各種材料性能的計(jì)算方法已經(jīng)存在，但沒(méi)有很好地集成起來(lái)、串起來(lái)。”汪林望說(shuō)。他計(jì)劃開(kāi)發(fā)一款超越現(xiàn)在以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)的工業(yè)軟件，它將以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，可以計(jì)算材料的各種物性，并借助于AI方法，跨越時(shí)間與尺寸的鴻溝，為工業(yè)界所用。這就是Q-CAD（量子力學(xué)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）軟件，也被稱為“后工業(yè)軟件”。

他希望，中國(guó)企業(yè)可以更容易地使用上這種“后工業(yè)軟件”，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

研發(fā)速度升上去? 成本降下來(lái)

隨著產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，研發(fā)創(chuàng)新將成為企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。但產(chǎn)品研發(fā)周期長(zhǎng)、研發(fā)成本高等因素讓一些企業(yè)放棄自主研發(fā)。

現(xiàn)在，很多材料研發(fā)本質(zhì)上還是試錯(cuò)，盲目性非常大，這樣也就推高了研發(fā)成本。汪林望提出：“我們可以把盲目試錯(cuò)改成理性設(shè)計(jì)，大大提高效率，降低成本?！?/p>

比如，要研究一個(gè)新材料，如果不知道正確的合成方法，要把這種材料真正做出來(lái)非常困難，這樣就會(huì)延誤對(duì)這個(gè)材料的性能研究。但如果在計(jì)算機(jī)上，根據(jù)原子排列，進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，研發(fā)時(shí)間可能從一兩年縮短到幾個(gè)月。

在機(jī)械工業(yè)上，傳統(tǒng)工業(yè)軟件已經(jīng)深入到工業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中。像汽車碰撞試驗(yàn)，舊的方法是通過(guò)實(shí)際碰撞得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)，那樣成本高昂。但如果通過(guò)模擬也能得到同樣結(jié)果，成本就可以降低很多。但傳統(tǒng)工業(yè)軟件依賴材料參數(shù)，而怎么得到這些材料參數(shù)，就需要新一代的工業(yè)軟件，就是Q-CAD軟件。

產(chǎn)品工藝流程的改變也可以充分利用計(jì)算的方法。怎么制作一個(gè)產(chǎn)品？產(chǎn)品的特性如何？這里包括空間、時(shí)間等多個(gè)尺度。現(xiàn)在可以通過(guò)人工智能，也就是機(jī)器學(xué)習(xí)的方法大大拓展量化計(jì)算所能達(dá)到的尺度。

無(wú)論研發(fā)能力如何，企業(yè)都會(huì)對(duì)產(chǎn)品改進(jìn)有興趣。汪林望認(rèn)為，如果能幫助企業(yè)進(jìn)行一些模擬，開(kāi)展原子層面的計(jì)算，他們就會(huì)更明白自己的產(chǎn)品是怎么回事、問(wèn)題在哪里，改進(jìn)的時(shí)候會(huì)更加有的放矢。

“中國(guó)制造業(yè)最需要的就是研發(fā)，我們只是提供一個(gè)新的工具，讓企業(yè)在材料產(chǎn)品研發(fā)上更加有力?！蓖袅滞Ｍ?，材料計(jì)算可以深入更多企業(yè)，提高企業(yè)的研發(fā)水平和研發(fā)速度。

目前的難題在于，材料計(jì)算軟件甚至所有工業(yè)軟件的開(kāi)發(fā)都需要較長(zhǎng)周期，要將多個(gè)學(xué)科的知識(shí)、方法進(jìn)行集成應(yīng)用。這要求軟件開(kāi)發(fā)人員既懂計(jì)算機(jī)應(yīng)用，又懂方法，有扎實(shí)的數(shù)學(xué)、物理知識(shí)。

汪林望指出，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的程序員很多，但精通物理、數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識(shí)的程序員不多，人才培養(yǎng)還需要一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程，“要做的事情還有很多，但未來(lái)可期?！?/p>