仿真技術(shù)：為中國(guó)智能制造提供新動(dòng)力

陳云天

如果說計(jì)算物理是人類研究物理的新范式,幫助人們探索知識(shí)的邊界,是引領(lǐng)物理前沿發(fā)展的一把利器。那么仿真技術(shù)則是基于對(duì)物理、經(jīng)濟(jì)或生物系統(tǒng)等的認(rèn)知/統(tǒng)計(jì)模型和計(jì)算機(jī)技術(shù),建立數(shù)學(xué)模型來模擬現(xiàn)實(shí)世界的物理過程, 通過精確模擬現(xiàn)實(shí)世界的復(fù)雜過程進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)研究對(duì)象的設(shè)計(jì)優(yōu)化、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、決策支持等。

因此,仿真技術(shù)無需實(shí)際構(gòu)建或?qū)嶒?yàn)即可預(yù)測(cè)和驗(yàn)證各種假設(shè)和策略,這不僅大幅降低了研究和開發(fā)的成本,也顯著提高了效率和安全性。與傳統(tǒng)的試錯(cuò)方法相比,仿真提供了一種效率更高、成本更低、風(fēng)險(xiǎn)更小的方案。在工程設(shè)計(jì)、產(chǎn)品開發(fā)及系統(tǒng)分析中發(fā)揮了巨大作用。

例如,在航空工業(yè)中,通過仿真測(cè)試飛機(jī)模型的氣動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,工程師能在實(shí)際制造之前識(shí)別潛在的設(shè)計(jì)問題。此外,在藥物開發(fā)領(lǐng)域,借助仿真模型,科學(xué)家可以模擬藥物與生物體內(nèi)目標(biāo)分子的相互作用,從而篩選出有效成分,加速新藥的研發(fā)過程。仿真還在災(zāi)害管理和應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃中扮演了重要角色。通過建立地震、洪水或其他自然災(zāi)害的仿真模型,決策者能夠評(píng)估各種預(yù)防措施的效果,制定更有效的應(yīng)對(duì)策略。此外,仿真技術(shù)也廣泛應(yīng)用于金融領(lǐng)域,幫助分析和預(yù)測(cè)市場(chǎng)趨勢(shì),為投資決策提供科學(xué)依據(jù)。

對(duì)于現(xiàn)代制造業(yè)來說,隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來,在技術(shù)革命、工業(yè)革命、數(shù)字化以及信息化浪潮的推動(dòng)下,制造業(yè)從單件生成到流水線生產(chǎn),再到柔性生產(chǎn),最后發(fā)展到智能制造。仿真技術(shù)作為智能制造領(lǐng)域中的核心,是驅(qū)動(dòng)工業(yè)技術(shù)迭代升級(jí)的推手,在產(chǎn)品優(yōu)化和創(chuàng)新中扮演者不可或缺的角色,是制造業(yè)打破低端困局、加快融合智能制造步伐的重要手段。的確如此,在工業(yè)產(chǎn)品實(shí)物化前,利用仿真技術(shù)可以對(duì)設(shè)計(jì)思想、產(chǎn)品潛在性能、使用效能和適應(yīng)性等方方面面進(jìn)行研究和評(píng)估,從而極大地減少了研制風(fēng)險(xiǎn)和周期,降低研制產(chǎn)品成本。目前,仿真技術(shù)成為任何復(fù)雜系統(tǒng),特別是高科技領(lǐng)域不可替代的分析、研究、設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、決策、訓(xùn)練的重要手段,更是中國(guó)從制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的重要技術(shù)手段。

以應(yīng)用廣泛的戰(zhàn)略高技術(shù)產(chǎn)業(yè)“光電子信息產(chǎn)業(yè)”為例,光電領(lǐng)域的科技創(chuàng)新的核心競(jìng)爭(zhēng)力來源于能夠提供低成本的光電仿真技術(shù)的工業(yè)軟件以及充分掌握仿真工具的高科技人才,利用仿真工具實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化,充分發(fā)揮我國(guó)制造業(yè)大國(guó)的優(yōu)勢(shì),為光電企業(yè)降本增效,提高良品率和產(chǎn)品附加值。

面對(duì)核心工業(yè)軟件的科技封鎖,為實(shí)現(xiàn)光電領(lǐng)域的科技創(chuàng)新與突破,需要結(jié)合我國(guó)產(chǎn)業(yè)的實(shí)際需求,一方面需要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究,加快波動(dòng)光學(xué)仿真、幾何光學(xué)仿真工具的國(guó)產(chǎn)化和商業(yè)化,借助人工智能實(shí)現(xiàn)人、工業(yè)生產(chǎn)及工業(yè)數(shù)據(jù)的緊耦合,打造我國(guó)光電產(chǎn)業(yè)的數(shù)據(jù)底座,驅(qū)動(dòng)光電技術(shù)的迭代升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展。

另外一方面,順應(yīng)極端制造、智能芯片、自動(dòng)駕駛及先進(jìn)顯示等未來光電仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),跨尺度光學(xué)仿真技術(shù)將在計(jì)算光刻技術(shù)、晶圓檢測(cè)、激光雷達(dá)、AR/VR等多種應(yīng)用場(chǎng)景中都將發(fā)揮基礎(chǔ)性作用。積極布局并發(fā)展融合了幾何光學(xué)仿真和波動(dòng)光學(xué)仿真的跨尺度仿真技術(shù),突破幾何光學(xué)快而不準(zhǔn)和波動(dòng)光學(xué)準(zhǔn)而不快的技術(shù)瓶頸。對(duì)跨尺度光學(xué)仿真技術(shù)的深入研究有機(jī)會(huì)突破西方的技術(shù)壁壘,有望帶動(dòng)光電子產(chǎn)業(yè)的率先突破。

在光電子信息產(chǎn)業(yè)、芯片等戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域,仿真技術(shù)的應(yīng)用不僅是產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力的關(guān)鍵,也直接提升了產(chǎn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。仿真技術(shù)的廣泛運(yùn)用大幅縮短了設(shè)計(jì)周期并提高了創(chuàng)新效率。此外,它在節(jié)約成本、減少資源消耗、提升產(chǎn)品性能和質(zhì)量方面發(fā)揮著重要作用。針對(duì)具體產(chǎn)業(yè)需求開發(fā)的專業(yè)化仿真工具和系統(tǒng),將進(jìn)一步推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步和科技創(chuàng)新,為中國(guó)光電產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展提供新的驅(qū)動(dòng)力。