加強(qiáng)高性能科學(xué)與工程計算應(yīng)用軟件的研制

陳志明

（中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究所，北京100190）

最近幾年，中國計算機(jī)硬件發(fā)展迅速，國產(chǎn)超級計算機(jī)已多次排名世界第一，但在超級計算機(jī)上運(yùn)行的科學(xué)與工程計算應(yīng)用軟件水平離國際先進(jìn)水平還有不少差距，適用于國產(chǎn)硬件的科學(xué)與工程軟件更是匱乏，國外大型科學(xué)與工程計算應(yīng)用軟件的許多功能對中國都屬于“卡脖子”問題。例如，用于芯片設(shè)計的大型EDA軟件都掌握在美國和歐洲的大公司中，而EDA軟件對中國信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)性和重要性大大超過高科技公司生產(chǎn)的芯片。

1 發(fā)展歷史

20世紀(jì)50年代，美國波音公司開展了利用有限元方法在計算機(jī)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的研究，這是現(xiàn)代有限元方法工程應(yīng)用的肇始。在多年研究的基礎(chǔ)上，1965年美國國家航空航天局（NASA）提出了研制通用型有限元分析軟件的NASTRAN計劃，這是計算機(jī)輔助工程（CAE）的開端。半個多世紀(jì)以來，利用計算機(jī)模擬結(jié)構(gòu)、流體、電磁、量子等各種物理過程的科學(xué)與工程計算應(yīng)用軟件得到了巨大的發(fā)展。在CAE方面，形成了以Altair、ANSYS、MSC和達(dá)索等用于結(jié)構(gòu)、流體和電磁場分析，Cadence、Synopsys和Mentor Graphics（已歸屬西門子公司）等用于芯片設(shè)計為代表的大型應(yīng)用軟件公司。在量子化學(xué)和材料物性計算方面，以密度泛函理論為基礎(chǔ)的 Gaussian、VASP和ABINIT等軟件包得到了廣泛應(yīng)用，密度泛函理論的提出者W.Kohn和Gaussian系列程序的創(chuàng)始人J.A.Pople曾獲得1998年諾貝爾化學(xué)獎。波音、空客和西門子等歐美公司及美國各大國家實(shí)驗(yàn)室各自研發(fā)了大量的非公開（in-house）科學(xué)與工程計算應(yīng)用程序。

2 軟件研制過程及特點(diǎn)

研制科學(xué)與工程計算應(yīng)用軟件包括建立模擬物理過程的數(shù)學(xué)模型、提出數(shù)學(xué)模型的計算方法和編寫計算方法的計算機(jī)程序3個部分。數(shù)學(xué)模型的正確性需要通過不斷的物理實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐驗(yàn)證和修正，數(shù)學(xué)模型的計算方法需要利用數(shù)學(xué)方法控制計算精度和提高計算效率，編寫計算方法的計算機(jī)程序則需要結(jié)合計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和底層算法。以EDA軟件為例，隨著半導(dǎo)體器件和集成電路的尺寸越來越小，以前EDA工具采用的數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確度越來越低，需研究新的數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)的新的計算方法；另一方面，當(dāng)代數(shù)學(xué)方法研究的深入，使得現(xiàn)有 EDA軟件中的計算方法在精度控制和計算效率上存在很大提升空間。

長期以來，由于科學(xué)與工程計算應(yīng)用軟件研制周期長，其研制涉及應(yīng)用領(lǐng)域、數(shù)學(xué)、信息科學(xué)等多個學(xué)科，同時又面臨國外大型應(yīng)用軟件的先發(fā)優(yōu)勢和壟斷，科學(xué)與工程計算應(yīng)用軟件事業(yè)在中國沒有得到很好的發(fā)展。近年來，中國科技部高性能計算重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)支持的項(xiàng)目側(cè)重于圍繞機(jī)器和具體應(yīng)用進(jìn)行研制，對數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)計算方法重視不夠，在整體上中國高性能科學(xué)與工程計算應(yīng)用軟件與國際先進(jìn)水平仍有不小差距。

3 建議

發(fā)展自主的科學(xué)與工程計算應(yīng)用軟件，需要充分發(fā)揮中國應(yīng)用領(lǐng)域、數(shù)學(xué)和信息科學(xué)各方面專家優(yōu)勢，尋找合適的交叉融合機(jī)制，得到國家的持續(xù)支持，以期取得突破。

1）通過中國科技部和國家自然科學(xué)基金委員會的重點(diǎn)或重大項(xiàng)目，結(jié)合中國實(shí)際需求，有針對性地研究大型科學(xué)與工程計算應(yīng)用軟件涉及的數(shù)學(xué)模型和計算方法，引導(dǎo)和鼓勵更多數(shù)學(xué)工作者研究科學(xué)與工程計算應(yīng)用軟件涉及的數(shù)學(xué)問題。

2）在中國科技部高性能計算重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)的項(xiàng)目中，更加注重數(shù)學(xué)模型的計算方法的基礎(chǔ)研究，在高水平的數(shù)學(xué)模型計算方法的基礎(chǔ)上，再提高計算方法在高性能計算機(jī)上程序?qū)崿F(xiàn)的效率，以充分發(fā)揮中國高性能計算機(jī)的硬件能力，提高中國在高性能科學(xué)與工程計算應(yīng)用軟件上的國際競爭力。

——摘自《科技導(dǎo)報》2019年第20期