加強高性能科學與工程計算應用軟件的研制

陳志明

（中國科學院數學與系統科學研究所，北京100190）

最近幾年，中國計算機硬件發展迅速，國產超級計算機已多次排名世界第一，但在超級計算機上運行的科學與工程計算應用軟件水平離國際先進水平還有不少差距，適用于國產硬件的科學與工程軟件更是匱乏，國外大型科學與工程計算應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軟件對中國信息產業的基礎性和重要性大大超過高科技公司生產的芯片。

1 發展歷史

20世紀50年代，美國波音公司開展了利用有限元方法在計算機上進行結構應力分析的研究，這是現代有限元方法工程應用的肇始。在多年研究的基礎上，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，這是計算機輔助工程（CAE）的開端。半個多世紀以來，利用計算機模擬結構、流體、電磁、量子等各種物理過程的科學與工程計算應用軟件得到了巨大的發展。在CAE方面，形成了以Altair、ANSYS、MSC和達索等用于結構、流體和電磁場分析，Cadence、Synopsys和Mentor Graphics（已歸屬西門子公司）等用于芯片設計為代表的大型應用軟件公司。在量子化學和材料物性計算方面，以密度泛函理論為基礎的 Gaussian、VASP和ABINIT等軟件包得到了廣泛應用，密度泛函理論的提出者W.Kohn和Gaussian系列程序的創始人J.A.Pople曾獲得1998年諾貝爾化學獎。波音、空客和西門子等歐美公司及美國各大國家實驗室各自研發了大量的非公開（in-house）科學與工程計算應用程序。

2 軟件研制過程及特點

研制科學與工程計算應用軟件包括建立模擬物理過程的數學模型、提出數學模型的計算方法和編寫計算方法的計算機程序3個部分。數學模型的正確性需要通過不斷的物理實驗和工程實踐驗證和修正，數學模型的計算方法需要利用數學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程序則需要結合計算機的體系結構優化設計數據結構和底層算法。以EDA軟件為例，隨著半導體器件和集成電路的尺寸越來越小，以前EDA工具采用的數學模型的準確度越來越低，需研究新的數學模型和相應的新的計算方法；另一方面，當代數學方法研究的深入，使得現有 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，由于科學與工程計算應用軟件研制周期長，其研制涉及應用領域、數學、信息科學等多個學科，同時又面臨國外大型應用軟件的先發優勢和壟斷，科學與工程計算應用軟件事業在中國沒有得到很好的發展。近年來，中國科技部高性能計算重點研發專項支持的項目側重于圍繞機器和具體應用進行研制，對數學模型的基礎計算方法重視不夠，在整體上中國高性能科學與工程計算應用軟件與國際先進水平仍有不小差距。

3 建議

發展自主的科學與工程計算應用軟件，需要充分發揮中國應用領域、數學和信息科學各方面專家優勢，尋找合適的交叉融合機制，得到國家的持續支持，以期取得突破。

1）通過中國科技部和國家自然科學基金委員會的重點或重大項目，結合中國實際需求，有針對性地研究大型科學與工程計算應用軟件涉及的數學模型和計算方法，引導和鼓勵更多數學工作者研究科學與工程計算應用軟件涉及的數學問題。

2）在中國科技部高性能計算重點研發專項的項目中，更加注重數學模型的計算方法的基礎研究，在高水平的數學模型計算方法的基礎上，再提高計算方法在高性能計算機上程序實現的效率，以充分發揮中國高性能計算機的硬件能力，提高中國在高性能科學與工程計算應用軟件上的國際競爭力。

——摘自《科技導報》2019年第20期