黃吉川觀點:無硝煙的戰爭─全球「計算科學」的霸權事業

「計算科學」已成為先進國家拓展研發科技的重要利器。

最近美中對抗,大家都在談美國政府頒佈法令,美商晶片設計軟體EDA,全面禁止授權給中國的晶片設計及製造廠商使用。晶片相關的行家都知,這是在切斷中國晶片產業的上游研發,其殺傷力,不亞於歐美禁止極柴紫外光EUV光刻機輸入中國所造成的效果。以台灣而言,每年政府與民間晶片業者,為使用這些EDA軟體,所付出的經費可能已超過百億元以上,其經費約可買二台先進EUV光刻機。但中國可説是盜版王國,美國所禁止的只是新版本,其能設計尖端晶片,至於舊版本,中國早已破解廣傳不受影響。由此可以看出軟體服務業的威力,不亞於台灣代工產業的重要性。

但大家都會問,這軟體產業其內含的規模有多大?我們先去除掉要付費的套裝軟體,單就網路上可下載的免費自由軟體,就有近百萬套供全球使用,例如SourceForge.net,又稱SF.net,是開源軟體的開發者進行開發管理的集中式場所,也是全球最大開源軟體開發平台和收藏庫,其應用範圍,涵蓋科學、工程、生醫、商業金融等等領域。而這些軟體所構成通稱為「計算科學」之學問,此專業技能已成為先進國家拓展研發科技的重要利器。

以下我們就以科學和工程所涉及的學問,來初窺這些軟體的分野,如圖(一)所示,橫坐標為空間尺度,縱坐標為時間尺度,依所涉及尺度,可從小到大串成一相互依存的科學知識體系,最小的從亞原子中的量子色動力學,到光和電子相互作用的量子電動力學,接著是原子尺度上的量子力學及研究物質特性的量子化學,再更大則是研究大量粒子行為的統計力學。若尺度更大則是工程領域的電磁學、熱力學、流體力學、固體力學,及預報氣候的大氣科學。而尺度最大的則有太空科學,以及研究星雲運動的廣義相對論。這由小到大的每一領域,都有無數的計算軟體相搭配,而這些軟體的計算成果,都比原理論所能解析預測的大好幾十萬倍。

圖(一)、多重尺度模擬系統
圖(一)、多重尺度模擬系統

以飛機的飛行流體力學為例,如圖(二)所示,人們透過紙筆計算,最大可能做到只是二維機翼截面流力分佈。但超級電腦搭配流體力學軟體,可以計算出整部飛機(一維時間三維空間)的飛行空氣動力分佈圖。所以全球各飛機製造商,必先以不斷計算所得之最佳化飛機結構為本,再實際建構飛機雛形,最後才做風洞測試。因啟動風洞測試,不計飛機實體之成本,動輒就要耗費幾百萬美金,相較之下,採用超級電腦計算研發,就會省下很多經費。

更重要的是,若無超級電腦計算模擬分析,單靠人類的大腦不可能建造出具有競爭力的新世代飛機,這正印証古人所言;「工欲善其事,必先善其器」之道理。如這範例所説明,對所有科技領域都適用!

圖(二)、飛行流體力學例子。(a) 整部飛機的飛行空氣動力分佈圖  (b)  二維機翼截面流力分佈。
圖(二)、飛行流體力學例子。(a) 整部飛機的飛行空氣動力分佈圖 (b) 二維機翼截面流力分佈。

在今年(2022年)8月12日,國際超級電腦年會(SC22)剛剛公佈,本屆1E等級超級電腦計算之成果的 Gordon Bell 獎項,總共有六個團隊獲獎,其分別有使用中國、美國以及日本的超級電腦等設備,相關研究內容簡述如下。 (相關報導: 高虹安指8成5民眾不敢用公廁免治馬桶 沈慧虹酸:大數據專業不敢恭維 更多文章

其一是中國的神威海洋之光團隊,硬體規模不公開(怕美國過度反應),目前估計計算力有1.05 E,其以量子化學計算250萬顆金屬原子組成之材料的物理化學特性。而百萬顆原子等級的模擬可參考如圖(三)所示。一般學術界研發能做到幾百顆原子的量子化學計算,已算很費力了。而其能將計算量衝到那麼高,則日後材料工業,就可從微觀的層次來設計出特殊的新材料,而將實驗驗證及製造放在之後來進行。