發展工業軟件　助力中國智造

羅燕

材料計算專家汪林望

隨著互聯網、人工智能等信息技術與制造業深度融合，制造業的智能化水平逐步提高，工業4.0時代來臨。

各行各業都將迎來變革，傳統制造業轉型升級勢在必行。如何提高企業的數字化水平？如何實現由中國制造到“中國智造”的轉變？這些都是我國經濟發展中的重要問題，值得深入關注。

“這是一個很好的時機”

“如果30年前我在計算機上提交一個任務，它可能到現在還沒算完。但如果我現在重新提交這個任務，用現在的計算機，幾個小時就算完了。”提到計算機的發展，汪林望經常這樣假設。

汪林望是國際知名材料計算專家，曾在美國頂尖研究機構擔任資深研究員，去年退休回國。30多年來，他在計算方法和跨尺度材料計算領域深耕，發展了10多種算法和程序，被廣泛應用。

計算機的計算速度、計算能力出現了幾十萬倍的增長，帶來了一系列革命性的變化。顯而易見的變化是，網絡購物的流行，數字經濟的到來。

“它同樣帶來了科技上的革命，如材料計算學的興起。”汪林望說，大尺度、長時間物理建模能力的顯著提升，使得材料計算能夠以從頭算的高精度計算材料特性，并用來預測多種材料類型的結構與性能的關系，發現新的結構。同時，人工智能（AI）也開始被用來探索材料的組成空間，識別新的結構。在生物材料、能源材料等應用領域，如何將包括物理建模、數據科學、機器學習的計算方法與材料表征、合成和加工方法相結合，加強對材料原子尺度過程的基本理解，加速材料發現和應用，已經成為工業界重要的發展方向。

“材料計算在工業界真的派得上用場，它推動的不是某個行業、某個工業領域的變革，而是整個工業領域的變革。”汪林望說。

中國正處于產業轉型升級的關口，對工業升級十分重視，支持力度非常大，市場投資熱情也很高，汪林望認為，“這是一個很好的時機”。

攻堅科技硬核? 提升軟實力

多年來，雖然身在國外，但汪林望一直密切關注中國工業的發展。他發現，中國很多企業的生產水平已領先世界，如鋰電池、光伏產業、稀有金屬行業等。“產業要再升級，必須在研發上投入更多。”

然而，有些企業不重視研發，或者在研發方面投入很少。有的企業想進行研發，但研發能力不足。在汪林望看來，在工業4.0時代，材料是關鍵，它是整個工業高科技的產業基礎。比如，在碳中和新能源、后摩爾時代的微電子、生物制藥等領域，重要的不是設計一個零部件或一臺機器，而是原子分子層面的材料研發和設計。

汪林望現在擔任北京龍訊曠騰科技有限公司首席科學家。這家企業自2015年成立以來便致力于國內材料計算模擬工具軟件研發，將基于量子力學的原子級別計算應用到研發生產環節。企業的愿景是開發一款以量子力學為基礎，原子層面的材料工業軟件。但汪林望發現，工業界習慣于傳統的研發模式，對材料計算普遍不了解。“需要通過一定的教育告訴他們，現在已經可以通過計算模擬的方法加速新材料研發了。”

軟件對于企業的研發至關重要。國際上也有很多開源軟件，但不少企業研發人員發現，各種開源軟件并不好用。汪林望計劃把這些開源軟件集成起來，處理得比較“光滑”，放到一個大的網上平臺，便于用戶使用。

“對很多情況，特別是在各種AI技術的幫助下，模擬各種材料性能的計算方法已經存在，但沒有很好地集成起來、串起來。”汪林望說。他計劃開發一款超越現在以牛頓力學為基礎的工業軟件，它將以量子力學為基礎，可以計算材料的各種物性，并借助于AI方法，跨越時間與尺寸的鴻溝，為工業界所用。這就是Q-CAD（量子力學計算機輔助設計）軟件，也被稱為“后工業軟件”。

他希望，中國企業可以更容易地使用上這種“后工業軟件”，實現產業轉型升級。

研發速度升上去? 成本降下來

隨著產業的轉型升級，研發創新將成為企業的核心競爭力。但產品研發周期長、研發成本高等因素讓一些企業放棄自主研發。

現在，很多材料研發本質上還是試錯，盲目性非常大，這樣也就推高了研發成本。汪林望提出：“我們可以把盲目試錯改成理性設計，大大提高效率，降低成本。”

比如，要研究一個新材料，如果不知道正確的合成方法，要把這種材料真正做出來非常困難，這樣就會延誤對這個材料的性能研究。但如果在計算機上，根據原子排列，進行模擬設計，研發時間可能從一兩年縮短到幾個月。

在機械工業上，傳統工業軟件已經深入到工業設計當中。像汽車碰撞試驗，舊的方法是通過實際碰撞得到試驗數據，那樣成本高昂。但如果通過模擬也能得到同樣結果，成本就可以降低很多。但傳統工業軟件依賴材料參數，而怎么得到這些材料參數，就需要新一代的工業軟件，就是Q-CAD軟件。

產品工藝流程的改變也可以充分利用計算的方法。怎么制作一個產品？產品的特性如何？這里包括空間、時間等多個尺度。現在可以通過人工智能，也就是機器學習的方法大大拓展量化計算所能達到的尺度。

無論研發能力如何，企業都會對產品改進有興趣。汪林望認為，如果能幫助企業進行一些模擬，開展原子層面的計算，他們就會更明白自己的產品是怎么回事、問題在哪里，改進的時候會更加有的放矢。

“中國制造業最需要的就是研發，我們只是提供一個新的工具，讓企業在材料產品研發上更加有力。”汪林望希望，材料計算可以深入更多企業，提高企業的研發水平和研發速度。

目前的難題在于，材料計算軟件甚至所有工業軟件的開發都需要較長周期，要將多個學科的知識、方法進行集成應用。這要求軟件開發人員既懂計算機應用，又懂方法，有扎實的數學、物理知識。

汪林望指出，現在國內的程序員很多，但精通物理、數學等多學科知識的程序員不多，人才培養還需要一個較長的過程，“要做的事情還有很多，但未來可期。”