TOPGUN的祕密:難以實驗的科學 用HPC實現-科學人雜誌
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TOPGUN的祕密:難以實驗的科學 用HPC實現

2022/06/24 國研院國網中心企劃製作

最新上映的電影《捍衛戰士2》,劇中湯姆克魯斯飾演的飛官,駕駛開發中的測試偵察機,帥氣地在六萬英呎的高空完成10馬赫的超音速飛行,但要如何精準設計這樣的飛機,並確保在天際能順暢運作,隱藏在背後的祕密就是高效能運算模擬(HPC simulation)。因為現實中要做這樣的實驗非常困難,目前地面設施沒辦法複製六萬英尺的高空環境,所以只能仰賴HPC來計算高空飛行的空氣阻力、關鍵零組件在高空環境以及超音速飛行下的可靠度測試等,簡單來說,HPC就是幫助研究人員模擬現實中無法實驗的重要工具。

無法實驗的科學 只能透過HPC來實現

高效能運算(high-performance computing,HPC)是現代科學的發展基礎,HPC對於科技發展的重要影響,就是在於幫助跨越實體測試的極限,透過大數據與人工智慧(AI),建立預測模型,為研發人員提供虛擬測試環境,以求更精準且快速地取得所需的研究資訊或解決方案。因此HPC廣泛被運用在各個產業當中,特別是在前瞻科技的發展,像是包括太空科技、航空科技、智慧醫療、綠能科技等,具有推波助瀾的作用。

台灣HPC科技的推手

財團法人國家實驗研究院高速網路與計算中心是台灣HPC的中樞,是全國唯一提供高速計算服務的國家級實驗室,今年延攬美國航太總署(NASA)蘭利研究中心計算航空科學部門資深研究員張朝亮接任主任一職。張朝亮表示,HPC已經是未來國家競爭力的指標,他將引進NASA在HPC領域的經驗,把國網中心的基礎設機和服務平台,更全面性地推展至學研界和產業界,讓HPC在台灣成為一種無所不在的工具,普及應用於各個產業當中,特別是加強與學研單位投入前瞻科技研發,創造未來產業榮景,提升台灣的國際競爭力。

提升工程科學模擬服務的能量

張朝亮以前在NASA時,常有人問到為什麼NASA都自己開發模擬工具不買商業軟體?答案是因為NASA從事的前瞻性研究沒有現成的商業模擬軟體可以利用,只好自己開發。模擬物理現象的數值分析的方法,在數學理論上需有一個非常強的架構,然後透過程式設計開發應用軟體,才能夠讓產業來運用,這需要科學家具備非常強的數理基礎和程式技巧,以及HPC設備,而這些都是NASA具備的能量。因此,他希望未來國網中心可以在現有的資源和基礎架構之上,培養頂尖的數理科學家和工程師,讓國網中在工程科學模擬領域再向前邁進。

發揮HPC專業支持國家政策發展

近年因元宇宙而備受關注的議題「數位孿生」(Digital twin),張朝亮說明,數位孿生的基礎就是模擬,它並不只是把一個物件放進電腦裡可以看就好,數位孿生就像是活在虛擬世界的雙胞胎,在不同的情境下要能夠模擬不一樣的物理狀況,來顯示現實世界中物體的反應。除此之外,台灣正走向淨零排放,相關的碳捕集技術、碳封存技術等,或是風力發電的風機架設,需要模擬風機在海上受到風浪影響的變化等,這些也都是國網中心因應國家重大發展政策運用HPC正在或正要執行的計畫。

數據是下一個世紀的關鍵

國網中心過去的標語(slogan)是「Enable AI technology」,張朝亮認為實際做法就是要注重「蒐集數據」(gathering data)、「產生數據」(generating data)、「保護數據」(protecting data),下一個世紀是數據的世紀,而HPC簡單來說包含三個元素「big data」、「AI」、「simulation」,未來希望能夠做到透過AI大數據分析幫助決策,還有在HPC大量的平行計算之下,可以在很短的時間產出分析結果,做到「real time decision making」。在資料保護方面,國網中心也積極推動最新資安技術於國內發展應用,例如同態加密(Homomorphic Encryption),在不需要解碼的情況下就可以執行資料分析,在廠商資料交換過程中不用擔心會洩漏個資,是非常重要的資安技術,也是未來HPC要走方向,幫助資安更值得信賴、更安全。

智慧醫療是HPC重點應用領域

生醫產業也是HPC應用很重要的領域,透過HPC和AI的結合,可以實現智慧醫療的願景, 包括AI醫學影像判讀、AI看診等,幫助提升醫療診斷的精確度,國網中心也有支持新創公司和學研團隊開發智慧照護的產品,例如智慧床墊、智慧病床,由國網中心提供技術和運算資源幫助團隊研發。國網中心也是台灣健康大數據的資料儲存中心,例如科技部的健康大數據永續平台計畫,國網中心扮演著資料計算、資料儲存、資料分析的角色,以及在新竹的機房存放著中央研究院臺灣人體生物資料庫的近20萬筆基因資料,國網中心做為台灣健康數據的核心,建構健康大數據系統及資料分享平台,希望未來可以運用在藥物開發、特殊疾病治療方法等研究使用。

借鏡NASA 推動創進學院計畫

張朝亮分享,NASA非常積極和學術界在合作,但是很重要的一點是,NASA不是把學研的技術直接拿來用,而是會共同研發,一起合作研究, 給予實際的研究方向,共同產出對NASA有用的技術,而不是純粹學術研究,例如「Summer Faculty Program」 因為美國教授在暑假是沒有薪水,利用暑期在NASA從事研究,由NASA支付薪水,有時候學術研究就像是在象牙塔,但是經過與NASA互動,可以真的解決一個實際的問題,彼此互惠成長。

所以國網中心借鏡NASA的合作模式,今年即將成立創進學院計畫,由教授帶著研究生一起和國網中心合作,使用國網中心的資源,做一個對台灣經濟發展很重要題目,例如太空科技、量子電腦等,這對國家未來的產業發展具有很重要的研究意義。

藉由技術移轉 將HPC資源落實產業應用

NASA的任務,除了大家所熟知到探索宇宙、超音速技術,還有一個重要的任務是技術移轉(technology transfer ),由於NASA是美國聯邦政府的獨立機構,經費來自於納稅人的錢,所以NASA的研究成果提供任何人免費使用。國網中心也有技術移轉平台,也很歡迎產業可以來合作一起商品化,例如國網中心將台灣杉二號超級電腦建置的相關技術,移轉予民間新創公司,並對產業提供台灣本土的雲端服務,便是公部門與產業協力合作、共同提昇台灣技術研發動能的範例,並有助引導產業界與學術界合作,提升台灣科研實力。


為深化學研的研發合作與服務,財團法人國家實驗研究院高速網路與計算中心將於6/28(二)13:30舉辦學研座談活動,邀請既有及潛在的高速運算用戶,增強交流互動、並傳遞透過「創進學院」的新方案,拓展與學研界共同合作及創新突破的機會。

座談會採實體座談,線上直播方式,以服務出發、到深化學研合作,與科學基礎研究應用領域的使用者有更多的展望對話,讓與會聽眾更了解國網中心作為國家的基礎科研設施與研究機構,可以如何進一步協助大家。

時間:6/28 (二) 13:30
線上座談
報名請至下方連結
https://event.nchc.org.tw/2022/userconf/


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