曾亞東：探索超級計算機和流體動力學的奇妙反應一名杰出研究員在美國的科研之路

我們的生活中充滿了各色各樣的流體，例如空氣、流水以及堅冰，它們的變化，以及背后的流動規律，無一不令人著迷，而對它們的研究，則依賴于超級計算機。2022年，畢業于美國明尼蘇達大學的曾亞東博士，給出了大規模并行模擬流體運動的實際解決方案，深入探究并行算法如何高效地利用CPU/GPU/TPU等硬件，以此獲得成倍的模擬加速。

興趣引導，專注科研

在廣闊的海洋中，柔性立管被廣泛應用在近海的油井作業或浮動隧道中。當海水圍繞這些管子流動時，由于水流產生的漩渦，管子可能會產生振動。這種特定的振動被稱為渦激振動（VIV）。了解導致這些管道振動的強度對于我們設計如立管這樣的設備至關重要。

“那我們該如何測量這種振動的強度，以確保立管不會損壞呢？”這是本科時的曾亞東第一次對科研產生了興趣。

在實際試驗中，直接測量立管受到的力可能會有困難，因為大型測量設備可能會干擾水流。如果換小一點的設備來測量形變，能不能通過形變算出立管的受力呢？在付世曉老師和師兄師姐的指導下，曾亞東使用逆有限元方法（IFEM）研究了均勻流中經歷渦激振動（VIV）的柔性立管的水動力學，從而成功地從試驗觀察到的形變中，推斷出了作用于管子上的受力分布，為這一領域的研究提供了新的視角。

時至今日，曾亞東還記得當他得到驗證過的計算結果后，那種內心的欣喜，“那種感覺，就好像心口處被開啟了，原來科研這么有意思”。

2016年，曾亞東以Top"1%的成績畢業于上海交通大學船舶與海洋工程專業。帶著對計算模擬的興趣，他來到美國明尼蘇達大學機械工程系攻讀博士學位。為了充實自己，曾亞東在讀博期間，積極修習不同系所的課程。除了機械工程的博士學位，他不僅順帶拿下了機械工程系的碩士學位、數學系的Ph.D."minor，還在美國德州奧斯汀大學拿到了計算機碩士學位的證書。這極大地豐富了他從多學科看問題的視野，也為他打下了堅實的科研基礎。

在明尼蘇達大學，曾亞東的主要研究是關于自適應網格在流體動力學中的運用。想象一個場景，在巨大的海面上，波浪洶涌，這些波浪的破碎會產生氣泡、飛沫，而它們在海洋和大氣的物質和熱流交換的過程中扮演著重要的角色。為了了解這種交換背后的機制，我們需要模擬整個物理過程。超級計算機為我們開辟了新的途徑，但是這還遠遠不夠。如果想要捕捉微米量級的飛沫，我們就只能把有限的計算資源用在需要的地方，這背后，便是自適應網格技術的真義。我們在極小尺度的飛沫附近用很細的網格來模擬，而在平緩的大尺度波浪旁邊只用很粗的網格，這樣有的放矢，集中力量辦大事。

雖然聽起來很簡單，但真正地實施卻有一定的難度。自適應網格技術在1985年左右就被提出，但因為它的算法復雜，到目前為止，全世界也沒有多少并行計算框架來支持自適應網格在各種硬件（例如CPU和GPU）上的運行。為此，曾亞東從頭寫起，建立了基于塊狀自適應網格的面向對象的并行框架。此框架用于并行模擬多相流體，確保在超級計算機系統下快速獲得結果。實踐出真知，他的框架在美國海軍研究所和國家自然科學基金委資助的研究項目中成功得到了應用。

曾博士的研究并不只于此，他還進一步應用這一先進的框架來模擬各種流動問題。他通過創建虛擬的3D仿真模型，開發了一個能夠模擬鰻魚游動的計算機程序。這不僅僅是關于魚類的研究，了解生物在水中的運動方式，還有助于生物學研究、設計水下機器人，以及建立新的數學模型。曾博士的程序不僅僅能模擬鰻魚的大尺度游動形態，還能夠通過調整虛擬的filament，來捕捉魚鰭的細節。“因為我們有自適應網格，所以我們可以精細地捕捉我們想觀察的地方。”曾博士如是說。

此外，他的系統還可以展示某些轉換機如何捕獲并利用海洋波浪的能量，這對于從海洋創造可持續能源至關重要。“我的計算框架能夠精確模擬將波浪能轉化為電能的設備，從而從不規則波浪的每一個波浪分量中獲取更多的能量。”事實上，在進行昂貴且可能存在風險的海洋試驗之前，開發商可以使用曾博士的方法在虛擬環境中測試和優化波浪能量轉換器的新設計。鑒于化石燃料對地球環境的壓力越來越大，對于一些臨海面積廣闊的國家（比如美國、中國等），如果能更好地利用海洋波浪能，其潛力巨大，大約可以滿足全球15%的能源需求。

讀博五年，曾亞東的成就發表在了包含Journal"of"Computational"Physics（JCP），International"Journal"of"High"Performance"Computing"Applications（IJHPC）在內的多個國際權威雜志上。與此同時，他也是多個知名期刊的審稿人。2021年，曾亞東博士受邀擔任SIAM"CSE21自適應網格技術迷你研討會的聯席主席；2022年9月和2023年1月，曾博士分別應浙江西湖大學范迪夏教授和上海交通大學萬德成教授之邀，進行了題為“帶有自適應網格細化的兩相流和流體-結構相互作用問題的數值模擬”的報告。曾博士與學界的這種緊密互動，無疑加強了學術研究與實際應用之間的聯系，為未來的技術創新和應用鋪設了堅實的基礎。

拓寬合作，厚積薄發

曾亞東博士在科研上的成就，不僅是他苦心孤詣的成果，也得益于他的合作精神。他樂于參與團隊合作，不斷從其他的優秀研究者身上學習。讀博期間，他在導師的資助下，先后三次訪問了美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL），并和美國國家科學院院士John"Bell、實驗室應用數學系主任Ann"Almgren進行了深入的學習交流。在伯克利實驗室實習期間，他參與開發了ARTEMIS平臺。該平臺用于模擬微電子學和其他宏觀動力學的相互作用，適合下一代的異構超算平臺。我們日常使用的設備，如智能手機、健康監測器，甚至保護我們國家基礎設施的先進系統，都高度依賴微電子——那些能以閃電般的速度處理信息的微小組件。為了使這些組件變得更好、更高效，曾博士與伯克利實驗室的研究人員開發的特殊工具，可以幫助我們理解和模擬它們是如何處理信號的。ARTEMIS平臺上的工具不僅僅是理論上的，它們在現代計算機系統上，無論是使用CPU還是GPU，都運行得非常快。

除此之外，曾亞東博士關于上述微電信號模擬的算法也被植入了由美國國家能源部資助的開源框架WarpX中。值得一提的是，WarpX曾獲得2022年ACM"Gordon"Bell獎，這是一個在高性能計算領域的著名獎項。曾博士說：“實際上，我對我們ARTEMIS和WarpX的具體工業運用非常感興趣，例如旋轉動力學、量子芯片以及納米傳感器等。這些應用涉及我們的日常生活，我想看看，仿真究竟能給我們帶來什么樣的洞見和物理機制層面的認識。”

畢業后的曾博士，繼續著他對超級計算機和流體動力學的探索之旅。在一系列高強度面試后，他力壓來自美國阿貢國家實驗室、美國可再生能源實驗室等多名求職者，成功入職總部位于密歇根州的Altair"Engineering"Inc，成為一名高級工程師。Altair"Engineering"Inc是計算科學和人工智能領域的全球技術公司，提供仿真、高性能計算（HPC）和數據分析領域軟件及云解決方案。在那里，他主導構建了用于模擬復雜幾何體的流動框架，支持OpenMP、MPI和CUDA等多種并行方式。為了使用戶能夠快速獲得計算結果，他也獨立開發了基于多重網格的高效求解器，并使其與公司的預處理工具和后處理軟件深入耦合，從而構建了端到端的穩健的計算流體動力學模擬產品Inspire"CFD。該產品已為Altair"Engineering"Inc帶來了不菲的收入和全球的眾多客戶，其中包括Evenflow、Scania"AB和Triton"Bikes等著名公司。

閑暇時的曾亞東，樂于把自己的知識傳播給更多的朋友。他在視頻平臺Bilibili錄制了幾百期關于并行計算、流體力學和機器學習的教學視頻，積累了四千多粉絲。“通過別人的反饋，能更好地檢驗自己是不是真的懂了。”曾亞東說，“我希望自己能做計算流體力學這個小分支下最棒的入門視頻，讓學生或者業內同行看了有所收獲。也許以后，美國或者中國的大學老師會采用我的教學視頻呢！”

在紐約州Altair"Engineering"Inc的辦公室里，曾亞東常常積極地測試客戶發來的算例，并和客戶不斷地溝通。“雖然我是研究型工程師，更多的時候都在設計軟件、研究算法，但是從客戶的角度思考，才能讓我們的產品更便于使用、對用戶更友好。我認為，通往杰出本身的一個要素，就是要更接地氣。”這是采訪的最后，曾亞東想分享給讀者的一句話。

"""""""""""編"輯/朱艷君