黃吉川：無硝煙的戰爭～全球「計算科學」的霸權事業－神仙、老虎、狗

黃吉川觀點：
無硝煙的戰爭
全球「計算科學」的霸權事業

2022-09-11 07:10 風傳媒

黃吉川＊作者為成大講座教授

「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

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。

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。

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。

圖(三)、百萬顆原子的複雜金屬異質結構材料計算示意圖。

其二是美國橡樹林國家實驗室(Ork Ridge National laboratory)團隊利用世界排名第一的超級電腦先鋒號（Frontier，計算力達1.1 E），來做一千兆等級數量的資料探勘問題，資料間的關聯性可用網路分布方式來表示，如圖(四)所示。他們改良的演算法在大數據分析上具有重大的突破性。

圖(四)、複雜資料探勘網路示意圖。

其三是由日本東京大學教授引領的研發團隊利用日本富岳超級電腦 (計算力達0.442E )，在地震模式計算中加入隨機因子，使地震震預測的凖確性，大大地提高，相同的軟體程式，日本富岳超級電腦，比美國頂峯（SUMMIT)超級電腦快17倍（這是美日合作的課題）。

其四是美國能源部下屬勞倫斯伯克利國家實驗室團隊利用頂峯超級電腦（SUMMIT，計算力有0.148 E），使用超過兩萬片的GPU加速卡，來比對蛋白質三維結構間的相似性。如圖(五)所示可看出蛋白質 A跟B經比對後發現有結構間的相似性以及不相似性。而在蛋白質資料庫(PDB database, https://www.rcsb.org/)中有4億5百萬筆巨量資料，他們只花了3.5小時，就完成所有比對工作。

圖(五)、蛋白質 A及B的結構相似與不相似比對示意圖。

其五是由美國的Perlmutter (計算力有0.07E)、頂峯 (計算力有0.148 E) 及日本富岳的超級電腦 (計算力有0.442E)，共同合作研究電射光和物質的相互作用。如圖(六)所示為其他研究電射光和不同物質間的相互作用示意圖。在此計算模型中是將整體系統分割成大量等分 3 維方格，在此微小的方格內，用統計力學結合電磁學軟體來預測光和帶電離子（電漿狀能）的各種效應，爾後整合各方格內的相互關係，一步一步算出結果。這是開發高能粒子加速器和電射武器中最重要的核心知識。

圖(六)、雷射光與物質間相互作用示意圖。(a) 模擬雷射光與玻璃 (b)模擬雷射光與氙原子固體。