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　　二、 高性能计算在制造业领域的应用现状

　　
　　近年来高性能计算在工业和制造业领域的应用越来越普遍和广泛。从TOP500的统计信息来看，工业领域所占的比例在不断增加。2005年6月，工业用户使用的高性能计算机占到52.8％。而其中的半导体和制造业用户所占的比例相当可观。表1是2005年6月发布的TOP500的应用领域的情况，其中美国半导体公司大约有70台，美国Boeing有4台, Lockheed Martin有2台，德国BMW有7台，德国VW有2台，德国Siemens有2台。许多国际著名的制造业大公司已实现了产品的虚拟化设计和制造，并实现了全球资源共享,利用全新的理念设计产品。美国GM,美国GE,日本Nissan等公司都拥有总计算能力超过10万亿次的高性能计算机用于新产品的研发。Boeing公司在上世纪90年代就实现了无纸化设计。Boeing公司已宣布利用高性能计算机对航空发动机进行全物理过程的模拟仿真。主导世界制造业方向的大集团公司目前都拥有大量的超级计算机用于产品设计和数据处理，制造业信息化是知识经济时代企业核心竞争的必要组成环节。

　　表1： 2005年6月发布的TOP500的应用领域统计

　　下面以计算流体动力学（CFD）为例，说明高性能计算机的发展对工程应用领域的极大推动作用。自二十世纪六十年代以来CFD技术得到飞速发展，其原动力是不断增长的工业需求，而航空航天工业自始至终是最强大的推动力。传统飞行器设计方法试验昂贵、费时，所获信息有限，迫使人们需要用先进的计算机仿真手段指导设计，大量减少原型机试验，缩短研发周期，节约研究经费。如美国战斗机YF-23采用CFD进行气动设计后比前一代YF-17减少了60％的风洞试验量。目前在航空、航天、汽车等工业领域，利用CFD进行的反复设计、分析、优化已成为标准的必经步骤和手段。但是还有大量的问题需要更大规模的计算才能满足需求。如飞机设计中全机气动性能计算，火箭发动机复杂多变的燃烧和跨音速流动模拟，导弹的气动隐身性能评估，低阻力系数高性能汽车外形的设计和分析，透平机械复杂叶型及组合的设计分析，潜艇尾迹模拟，高超音速航天器空气动力学设计分析，核电站水蒸汽两相流流动分析，非定常状态的物理过程如飞机起飞降落、过载下空间推进剂晃动分析等。这些大规模设计计算问题不但单个作业计算量庞大，且需不断调整，重复计算。人们试图在很多场合期望放弃假设直接去求解和探索机理问题。如抛开基于统计理论的湍流简化模型直接模拟（DNS）湍流，这在计算能力有限的过去几乎是无法想象的。当前CFD问题的规模为：机理研究方面如湍流直接模拟，网格数达到了109（十亿）量级，在工业应用方面，网格数最多达到了107（千万）量级。
   
　　工程计算中的难题随着计算技术和计算机的发展而不断解决。与此同时，新的问题又会不断产生。例如，从基本材料的组份与构造到复合材料，从复合材料做成构件，再由构件装配成工程/产品，存在着从微观、细观到宏观的多尺度现象；不同的尺度服从于不同的物理、力学模型；通过对宏观模型的细分，不能导致细观和微观模型；相反，通过微观和细观模型的无限迭加，也难导致宏观模型。因此，在工程/产品的精细分析中，客观地会遇到多尺度模型的耦合问题。目前的CAE软件，都是仅限于宏观物理、力学模型的工程/产品分析。计算机性能和计算方法的限制是一个重要的因素。