发展工业软件 助力中国智造

随着互联网、人工智能等信息技术与制造业深度融合,制造业的智能化水平逐步提高,工业4.0时代来临。

各行各业都将迎来变革,传统制造业转型升级势在必行。如何提高企业的数字化水平?如何实现由中国制造到“中国智造”的转变?这些都是我国经济发展中的重要问题,值得深入关注。

“这是一个很好的时机”

“如果30年前我在计算机上提交一个任务,它可能到现在还没算完。但如果我现在重新提交这个任务,用现在的计算机,几个小时就算完了。”提到计算机的发展,汪林望经常这样假设。

汪林望是国际知名材料计算专家,曾在美国顶尖研究机构担任资深研究员,去年退休回国。30多年来,他在计算方法和跨尺度材料计算领域深耕,发展了10多种算法和程序,被广泛应用。

计算机的计算速度、计算能力出现了几十万倍的增长,带来了一系列革命性的变化。显而易见的变化是,网络购物的流行,数字经济的到来。

“它同样带来了科技上的革命,如材料计算学的兴起。”汪林望说,大尺度、长时间物理建模能力的显著提升,使得材料计算能够以从头算的高精度计算材料特性,并用来预测多种材料类型的结构与性能的关系,发现新的结构。同时,人工智能(AI)也开始被用来探索材料的组成空间,识别新的结构。在生物材料、能源材料等应用领域,如何将包括物理建模、数据科学、机器学习的计算方法与材料表征、合成和加工方法相结合,加强对材料原子尺度过程的基本理解,加速材料发现和应用,已经成为工业界重要的发展方向。

“材料计算在工业界真的派得上用场,它推动的不是某个行业、某个工业领域的变革,而是整个工业领域的变革。”汪林望说。

中国正处于产业转型升级的关口,对工业升级十分重视,支持力度非常大,市场投资热情也很高,汪林望认为,“这是一个很好的时机”。

攻坚科技硬核 提升软实力

多年来,虽然身在国外,但汪林望一直密切关注中国工业的发展。他发现,中国很多企业的生产水平已领先世界,如锂电池、光伏产业、稀有金属行业等。“产业要再升级,必须在研发上投入更多。”

然而,有些企业不重视研发,或者在研发方面投入很少。有的企业想进行研发,但研发能力不足。在汪林望看来,在工业4.0时代,材料是关键,它是整个工业高科技的产业基础。比如,在碳中和新能源、后摩尔时代的微电子、生物制药等领域,重要的不是设计一个零部件或一台机器,而是原子分子层面的材料研发和设计。

汪林望现在担任北京龙讯旷腾科技有限公司首席科学家。这家企业自2015年成立以来便致力于国内材料计算模拟工具软件研发,将基于量子力学的原子级别计算应用到研发生产环节。企业的愿景是开发一款以量子力学为基础,原子层面的材料工业软件。但汪林望发现,工业界习惯于传统的研发模式,对材料计算普遍不了解。“需要通过一定的教育告诉他们,现在已经可以通过计算模拟的方法加速新材料研发了。”

软件对于企业的研发至关重要。国际上也有很多开源软件,但不少企业研发人员发现,各种开源软件并不好用。汪林望计划把这些开源软件集成起来,处理得比较“光滑”,放到一个大的网上平台,便于用户使用。

“对很多情况,特别是在各种AI技术的帮助下,模拟各种材料性能的计算方法已经存在,但没有很好地集成起来、串起来。”汪林望说。他计划开发一款超越现在以牛顿力学为基础的工业软件,它将以量子力学为基础,可以计算材料的各种物性,并借助于AI方法,跨越时间与尺寸的鸿沟,为工业界所用。这就是Q-CAD(量子力学计算机辅助设计)软件,也被称为“后工业软件”。

他希望,中国企业可以更容易地使用上这种“后工业软件”,实现产业转型升级。

研发速度升上去 成本降下来

随着产业的转型升级,研发创新将成为企业的核心竞争力。但产品研发周期长、研发成本高等因素让一些企业放弃自主研发。

现在,很多材料研发本质上还是试错,盲目性非常大,这样也就推高了研发成本。汪林望提出:“我们可以把盲目试错改成理性设计,大大提高效率,降低成本。”

比如,要研究一个新材料,如果不知道正确的合成方法,要把这种材料真正做出来非常困难,这样就会延误对这个材料的性能研究。但如果在计算机上,根据原子排列,进行模拟设计,研发时间可能从一两年缩短到几个月。

在机械工业上,传统工业软件已经深入到工业设计当中。像汽车碰撞试验,旧的方法是通过实际碰撞得到试验数据,那样成本高昂。但如果通过模拟也能得到同样结果,成本就可以降低很多。但传统工业软件依赖材料参数,而怎么得到这些材料参数,就需要新一代的工业软件,就是Q-CAD软件。

产品工艺流程的改变也可以充分利用计算的方法。怎么制作一个产品?产品的特性如何?这里包括空间、时间等多个尺度。现在可以通过人工智能,也就是机器学习的方法大大拓展量化计算所能达到的尺度。

无论研发能力如何,企业都会对产品改进有兴趣。汪林望认为,如果能帮助企业进行一些模拟,开展原子层面的计算,他们就会更明白自己的产品是怎么回事、问题在哪里,改进的时候会更加有的放矢。

“中国制造业最需要的就是研发,我们只是提供一个新的工具,让企业在材料产品研发上更加有力。”汪林望希望,材料计算可以深入更多企业,提高企业的研发水平和研发速度。

目前的难题在于,材料计算软件甚至所有工业软件的开发都需要较长周期,要将多个学科的知识、方法进行集成应用。这要求软件开发人员既懂计算机应用,又懂方法,有扎实的数学、物理知识。

汪林望指出,现在国内的程序员很多,但精通物理、数学等多学科知识的程序员不多,人才培养还需要一个较长的过程,“要做的事情还有很多,但未来可期。”

(□ 《民生周刊》记者 罗燕)

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