近日，科學技術部高技術研究發展中心公布了“十四五”國家重點研發計劃“高性能計算”重點專項2023年度公開指南項目立項結果，國家超級計算無錫中心神工坊團隊參與的“面向新一代國聲超算系統的民用飛機多學科聯合設計優化技術與軟件”項目成功獲批。

該項目由西北工業大學牽頭，國家超級計算無錫中心、西咸新區天樞航空科技有限公司、中航通飛華南飛機工業有限公司等為課題負責單位。

國家超級計算無錫中心神工坊團隊負責的“多學科優化并行工作流構建及超算移植加速”課題，將充分利用國家超級計算無錫中心的硬件資源，致力于突破變量多學科聯合優化設計在國產先進超級計算機等多種平臺上面臨的瓶頸 ，助力研發基于新一代國產超算的飛行器多學科聯合優化設計軟件，構建解決系統性復雜工程問題的高性能應用生態。

1 什么是MDO?

多學科優化設計（Multidisciplinary Design Optimization, MDO）由上個世紀 80 年代提出，它使用優化方法來解決包含多個學科的設計問題。 

MDO已廣泛應用于多個領域，包括汽車設計、海軍建筑、電子、計算機等。其中，應用最多的是航空航天工程領域，如飛機和航天器設計。

MDO關鍵技術框圖 來源：網絡

大規模變量精細化多學科優化（MDO）作為一種具有創新性的技術，對于下一代飛行器設計具有重要意義。 民用飛 機設計對MDO的需求尤為迫切，但是由于算法并行限制和算力使用不足，該技術在我國尚未得到充分應用。

國家超級計算無錫中心神工坊團隊致力于探究多學科優化并行工作流構建方法，綜合考慮多個學科的約束及優化目標，將用于三維建模、前后處理、求解器等軟件/程序，按照分析流程的執行順序進行管理，形成優化計算工作流，實現在同一平臺下自動調用各工具執行的多學科耦合仿真分析。針對傳統的串行設計模式無法充分考慮多學科之間耦合以及花費時間長的問題，需要對支持工作流程、算法層以及求解器層三種方式協同并行的方法進行研究，能夠將并行任務分布到網絡中的其他計算機中進行計算 ，有效地利用計算資源，縮短優化設計周期。

2 針對超算移植加速的研究

飛行器MDO涉及眾多學科，各學科分析計算量和變量規模巨大，設計平臺各異，變量取值與物理屬性差異顯著，設計域呈現高度非線性和不連續等特征，導致MDO的計算量巨大。因此，MDO雖然在科學研究中展現了巨大潛力，但是在飛行器全機復雜構型設計中卻面臨“瓶頸”，陷入“創新死亡谷”。近年來，我國超算研制和應用能力達到世界領先水平，“神威·太湖之光”多次登頂世界超算 Top500 榜單，高性能應用榮獲“戈登·貝爾”獎。國家超級計算無錫中心基于“神威·太湖之光”實現了航發整機全流道數值模擬，具備了解決工程仿真問題的能力，為實現第三代MDO軟件研發奠定了良好基礎。

國家超級計算無錫中心神工坊團隊依托自主研發的高性能多域多物理場數值模擬框架，深入研究多學科聯合優化計算過程中的性能熱點，從多個層面提煉眾核加速共性算法，實現多種異構超算平臺上的多學科優化軟件適配與維護 。

“神工坊”高性能多域多物理場數值模擬框架

通過本項目的研發，對于提升國家科技實力、推動產業升級、提高國產民機競爭力等方面具有重要意義。首先，我們將構筑自主可控的軟件體系和高性能計算應用范式，提升科學、技術、產業指標；其次，我們將推進民機設計手段的革新，助力高端裝備制造產業升級和高質量發展，這將有利于提升國產民機的競爭力，助力國內航空裝備企業爭奪50萬億國際民機市場。此外，本項目還將降低國產超算的復雜多學科應用開發門檻，賦予軟件可持續發展能力，有助于完善國產超級計算機的應用生態，全面覆蓋飛行器設計的重大關鍵領域。

近年來，神工坊始終秉持“仿真驅動創新，計算引領未來”的核心理念，通過與國內頂尖高校、科研院所及行業重點企業的緊密合作，在聯合科技攻關、科技創新資源的整合等方面取得了豐碩的成果，為推動我國工業仿真技術的跨越式發展，以及重大裝備研制創新和工業設計研發數字化轉型提供有力支撐。