--- title: "Technik und Technologie · Simulationen · Simulationshypothese" url: https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/engineering description: "Luftströmung über Flügeln, Bauwerke unter Last, Chips vor der Fertigung, Roboter vor dem Bau." license: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ credit: "Ross Allan Dahl, Simulationshypothese (simulation-hypothesis.com)" --- [Simulationen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations)Bereich 9 von 18 # Technik und Technologie Luftströmung über Flügel, Bauwerke unter Last, Chips vor der Fertigung, Roboter, bevor sie gebaut werden. Heute wird fast nichts mehr gebaut, ohne es zuvor zu simulieren. In den letzten fünfzig Jahren hat die Simulation die meisten physischen Prototypen ersetzt. Die älteste Form, das physische Maßstabsmodell, ist noch immer im Einsatz. ## Flow ### Aerodynamik Luft, die über Flügel, Autos, Gebäude und Windkraftanlagen strömt. Frage, die sie beantwortet: Wie viel Widerstand, wie viel Auftrieb, und wo reißt die Strömung ab? Lässt aus: Turbulenz wird modelliert, nicht aufgelöst, deshalb sind feine Details der Ablösung genähert. Läuft auf: etwa 10^15 FLOPS grob ein Universitäts- oder Unternehmens-HPC-Cluster, Tage pro Fall Seit: 1962 Hess und Smiths Panelmethode für Flugzeugformen [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Felder ### Turbulenz Jeder Wirbel einer turbulenten Strömung direkt aufgelöst, vom größten Strudel bis zum kleinsten. Frage, die sie beantwortet: Was macht Turbulenz tatsächlich, damit Modelle mit geringerem Aufwand sie nähern können? Lässt aus: Auf bescheidene Reynolds-Zahlen beschränkt; echte Strömungen überfordern die größten Maschinen. Läuft auf: etwa 10^17 FLOPS grob ein nationaler Supercomputer, ein großer Anteil, für Wochen Seit: 1972 Orszag und Pattersons erste direkte numerische 3D-Simulation [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Felder ### Physische Maßstabsmodelle Windkanäle, Wellenbecken, Flussmodelle und Rütteltische: die ältesten Simulationen, die bis heute genutzt werden, um die numerischen zu prüfen. Frage, die sie beantwortet: Stimmt die echte Strömung mit dem überein, was der Computer vorhergesagt hat? Lässt aus: Skaleneffekte bedeuten, dass sich ein kleines Modell nicht immer wie das Ding in voller Größe verhält. Läuft auf: keinem Computer. Kein digitales Rechnen; stattdessen echte Luft, echtes Wasser oder ein Rütteltisch Seit: 1871 Frank Wenham baute einen der ersten Windkanäle [Physikalisches Analogon](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-analogue)Materieebene: Felder ### Kavitationssimulation Blasen, die sich in schnell strömender Flüssigkeit bilden und heftig kollabieren, an Schiffsschrauben, Pumpen und Ventilen. Frage, die sie beantwortet: Wo wird Kavitation diesen Propeller oder diese Pumpe erodieren, und wie konstruieren wir darum herum? Lässt aus: Der Blasenkollaps geschieht auf Skalen, die feiner sind, als die meisten Simulationen überall auflösen können. Läuft auf: etwa 10^15 FLOPS grob der Cluster einer Universität oder Werft, Stunden pro Fall Seit: 1988 spätestens 1988, frühe Rechenmodelle kavitierender Strömung um Schiffsschrauben [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Felder ### Mehrphasen- und Rohrströmung Öl, Gas, Wasser und Schlämme, die gemeinsam durch Rohrleitungen, Bohrungen und Prozessanlagen strömen. Frage, die sie beantwortet: Läuft die Pipeline glatt, oder verstopfen Pfropfen aus Flüssigkeit und Gas sie? Lässt aus: Plötzliche Pfropfenbildung gehört weiterhin zu den Dingen, die sich nur schwer zuverlässig vorhersagen lassen. Läuft auf: etwa 10^14 FLOPS grob der Cluster eines Energieunternehmens, Stunden pro Pipelinefall Seit: 1979 spätestens 1979, frühe Mehrphasenströmungsmodelle für Offshore-Öl- und Gaspipelines [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Felder ### Simulation von Eisansatz Unterkühlte Wassertröpfchen gefrieren im Flug oder im Wind an Flugzeugflügeln und Windradblättern. Frage, die sie beantwortet: Wie viel Eis wird sich ansammeln, und kommt das Enteisen damit mit? Lässt aus: Echte Größen von Wolkentröpfchen und Mischphaseneis schwanken stärker, als es Standardtestbedingungen annehmen. Läuft auf: etwa 10^14 FLOPS grob ein Cluster eines Luftfahrtlabors, Stunden pro Vereisungsfall Seit: 1988 spätestens 1988, frühe Vereisungsprogramme unterstützen die Flugzeugzulassung [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Felder ### Physikinformierte neuronale Netze Ein neuronales Netz wird so trainiert, dass seine Ausgaben zugleich eine maßgebliche Differentialgleichung und beobachtete Daten erfüllen. Frage, die sie beantwortet: Kann ein Netz die Lösung einer PDE mit wenig oder gar keinem Gitter lernen? Lässt aus: Das Training ist bei steifen oder turbulenten Problemen langsam und unzuverlässig. Läuft auf: etwa 10^13 FLOPS grob Gradientenbasiertes Training mit automatischer Differentiation Seit: 2017 Physics informed deep learning, part I (2017) [Quelle](https://arxiv.org/abs/1711.10561) [Gelernte Emulatoren](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-learned)[Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)Materieebene: Felder ### Neuronale Operatoren Ein Netz lernt die Abbildung von einer Funktion, etwa einer Randbedingung, auf die Lösung einer PDE, sodass neue Eingaben in einem Durchgang beantwortet werden. Frage, die sie beantwortet: Kann ein trainiertes Modell eine ganze Familie von PDEs sofort lösen? Lässt aus: Braucht viele Solver-Läufe für das Training und extrapoliert schlecht. Läuft auf: etwa 10^15 FLOPS grob Aufwendige Datenerzeugung, dann schnelle Inferenz Seit: 2019 DeepONet: learning nonlinear operators (2019), followed by Fourier neural operators (2020) [Quelle](https://arxiv.org/abs/1910.03193) [Gelernte Emulatoren](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-learned)[Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)Materieebene: Felder ### Graphnetz-basierte gelernte Simulatoren Ein Graph-Neuronales-Netz, trainiert an Simulationsdaten, schiebt Teilchen oder Gitterknoten Schritt für Schritt vorwärts und ahmt so Flüssigkeiten, Stoffe und Festkörper nach. Frage, die sie beantwortet: Kann ein neuronales Netz einen Physiklöser für Flüssigkeiten und verformbare Objekte ersetzen? Lässt aus: Fehler summieren sich über lange Durchläufe, und Erhaltungsgrößen sind nicht garantiert. Läuft auf: etwa 10^14 FLOPS grob Training an Solverdaten, schnellerer Rollout Seit: 2020 Learning to simulate complex physics with graph networks (2020) [Quelle](https://arxiv.org/abs/2002.09405) [Gelernte Emulatoren](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-learned)[Teilchen und N-Körper](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-particles)Materieebene: Felder ### Gelernte Strömungslöser Ein Faltungsnetz ersetzt den Druckprojektionsschritt eines gitterbasierten Strömungslösers, um die Simulation von Rauch und Flüssigkeiten zu beschleunigen. Frage, die sie beantwortet: Kann ein trainiertes Netz einen Löser für inkompressible Strömung deutlich schneller machen? Lässt aus: Stabilität und Genauigkeit werden nur an Strömungen getestet, die dem Training ähneln. Läuft auf: etwa 10^12 FLOPS grob Training an Solverdaten, schnelle Inferenz Seit: 2016 Accelerating Eulerian fluid simulation with convolutional networks (2016) [Quelle](https://arxiv.org/abs/1607.03597) [Gelernte Emulatoren](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-learned)[Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Felder ### Gittergas-Automaten für Strömungen Teilchen, die auf einem Gitter mit einfachen Stoßregeln hüpfen und im Großen den Fluss einer Flüssigkeit oder eines Gases reproduzieren, ohne dass Gleichungen der Strömungsmechanik eingebaut sind. Frage, die sie beantwortet: Kann die Strömung einer Flüssigkeit aus einfachen Teilchenregeln auf einem Gitter entstehen? Lässt aus: Rauschen durch diskrete Teilchen und fehlende Galilei-Invarianz begrenzen die Genauigkeit, weshalb es ersetzt wurde. Läuft auf: etwa 10^11 FLOPS grob bitweise Regeln auf einem Gitter mit Millionen Plätzen. Seit: 1986 Frischs, Hasslachers und Pomeaus Gittergas-Automaten für die Navier-Stokes-Gleichung. [Quelle](https://doi.org/10.1103/physrevlett.56.1505) [Zelluläre Automaten](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-cellular-automata)[Teilchen und N-Körper](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-particles)Materieebene: Regeln ### Lattice-Boltzmann-Strömungssimulation Flüssigkeit, dargestellt durch Verteilungen von Teilchengeschwindigkeiten auf einem Gitter, die strömen und kollidieren und so Strömung in komplexer Geometrie wie porösem Gestein oder Blutgefäßen ergeben. Frage, die sie beantwortet: Wie strömt eine Flüssigkeit durch eine sehr komplizierte Geometrie? Lässt aus: Das Verfahren ist auf niedrige Mach-Zahlen beschränkt, und die Randbehandlung braucht Sorgfalt. Läuft auf: etwa 10^15 FLOPS grob Milliarden Gitterzellen auf Grafik- oder Cluster-Hardware. Seit: 1988 McNamara und Zanettis Nutzung der Boltzmann-Gleichung zur Simulation von Gittergas-Automaten. [Quelle](https://doi.org/10.1103/physrevlett.61.2332) [Gittereichtheorie](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-lattice)[Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Felder ### Direkte Simulation verdünnter Gase Moleküle eines dünnen Gases, die zufällig bewegt werden und zusammenstoßen, wo das Gas zu dünn für eine kontinuierliche Flüssigkeit ist, etwa am Rand des Weltraums oder in winzigen Kanälen. Frage, die sie beantwortet: Wie strömt ein dünnes Gas am Rand der Atmosphäre um ein Fahrzeug? Lässt aus: Jedes simulierte Teilchen steht für Billionen echter, sodass das statistische Rauschen bei niedrigen Geschwindigkeiten hoch ist. Läuft auf: etwa 10^14 FLOPS grob Milliarden simulierter Teilchen. Seit: 1963 Birds direkte Simulation der Annäherung an das Translationsgleichgewicht in einem Gas aus starren Kugeln. [Quelle](https://doi.org/10.1063/1.1710976) [Teilchen und N-Körper](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-particles)[Monte Carlo](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-monte-carlo)Materieebene: Moleküle ### Large-Eddy-Simulation von Windparks Turbulente Luft durch einen Windpark, mit den addierten Kräften jedes Rotors, um zu sehen, wie Nachläufe zusammenwirken und die Leistung der Turbinen dahinter senken. Frage, die sie beantwortet: Wie viel Leistung verliert ein Windpark durch seine eigenen Nachläufe? Lässt aus: Turbinenblätter werden durch Kraftscheiben ersetzt, und Gelände und atmosphärische Stabilität verändern die Ergebnisse. Läuft auf: etwa 10^16 FLOPS grob Large-Eddy-Läufe einer mehrere Kilometer großen Domäne mit Dutzenden von Turbinen. Seit: 2010 Calafs, Meneveaus und Meyers Large-Eddy-Simulation der Grenzschichten vollständig entwickelter Windturbinenfelder. [Quelle](https://doi.org/10.1063/1.3291077) [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)[Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)Materieebene: Felder ### Fluid-Struktur-Wechselwirkung Eine strömende Flüssigkeit und ein sich verformender Körper werden gemeinsam gelöst, sodass sich Schlagen, Schwingungen und Flattern bei Flügeln, Brücken und Klappen vorhersagen lassen. Frage, die sie beantwortet: Wie bewegt sich eine flexible Struktur in der Strömung um sie herum? Lässt aus: Netzbewegung und starke Effekte der hinzugefügten Masse machen die Kopplung aufwendig und manchmal instabil. Läuft auf: etwa 10^15 FLOPS grob gekoppelte Fluid- und Festkörperlöser, in jedem Schritt iteriert. Seit: 1974 Hirt, Amsden und Cooks arbiträre Lagrange-Euler-Methode für Strömungen bei allen Geschwindigkeiten. [Quelle](https://doi.org/10.1016/0021-9991%2874%2990051-5) [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)[Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)Materieebene: Felder ### Large-Eddy-Simulation der Branddynamik Heißes Gas und Rauch eines Feuers in einem Raum, Tunnel oder Gebäude, gelöst als turbulente Auftriebsströmung mit einfacher Verbrennung, um zu sehen, wie sich Hitze und Rauchgase ausbreiten. Frage, die sie beantwortet: Wie schnell wird Rauch diesen Flur füllen, und ab wann sehen Menschen ihren Weg nach draußen nicht mehr? Lässt aus: Verbrennungschemie und Ruß sind vereinfacht, und echte Brennstoffe, Fenster und Möbel sind nur ungefähr beschrieben. Läuft auf: etwa 10^13 FLOPS grob Tage auf einem Cluster für einen großen Gebäudebrand. Seit: 2000 McGrattan und Kollegen, Benutzerhandbuch des Fire Dynamics Simulator des US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology. [Quelle](https://doi.org/10.6028/nist.ir.6469) [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)[Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)Materieebene: Felder ## Bauwerke und Maschinen ### Tragwerksanalyse Brücken, Gebäude, Flugzeuge und Bauteile unter Last, Hitze und Schwingung. Frage, die sie beantwortet: Wo ist die Schwachstelle, und wie viel Reserve bleibt? Lässt aus: Setzt idealisierte Materialien und Lasten voraus; echte Defekte werden durch Sicherheitsmargen abgedeckt, nicht durch Physik. Läuft auf: etwa 10^14 FLOPS grob eine Konstruktions-Workstation oder ein kleiner Cluster, Stunden pro Fall Seit: 1956 Die Flugzeug-Strukturmethode von Turner, Clough, Martin und Topp [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Felder ### Crashsimulation Fahrzeuge verformen sich bei einer Kollision, mit virtuellen Insassen darin. Frage, die sie beantwortet: Wie schützen wir die Menschen darin? Lässt aus: Die Verletzung von Insassen wird aus Dummy-Modellen geschätzt, nicht aus der Variabilität echten menschlichen Gewebes. Läuft auf: etwa 10^15 FLOPS grob der HPC-Cluster eines Autoherstellers, Stunden pro Crashfall Seit: 1979 spätestens 1979, explizite Finite-Elemente-Programme an nationalen Laboren modellieren Fahrzeugaufprall [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Felder ### Mehrkörperdynamik Maschinen als starre Teile, verbunden durch Gelenke, Federn und Zahnräder: Fahrwerke, Motoren, Roboterarme. Frage, die sie beantwortet: Bewegt sich der Mechanismus wie entworfen, und wohin gehen die Lasten? Lässt aus: Teile werden als starr oder leicht flexibel behandelt, sodass feine Schwingungsmoden fehlen. Läuft auf: etwa 10^13 FLOPS grob ein Konstruktions-Desktop, Minuten bis Stunden Seit: 1971 Sheth und Uickers Computerverfahren zur Mechanismenanalyse [Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)Materieebene: Körper ### Akustik und Schwingungen Schallwellen in Räumen, Motoren und Städten sowie Schwingungen in Bauwerken. Frage, die sie beantwortet: Erreicht dieser Saal eine gute Akustik, und wird diese Brücke hörbar mitschwingen? Lässt aus: Hat Probleme bei tiefen Frequenzen, wo Welleneffekte über Strahlen dominieren. Läuft auf: etwa 10^14 FLOPS grob eine Workstation oder ein kleiner Cluster, Stunden pro Fall Seit: 1968 Krokstad und Kollegen modellierten die Raumakustik per Strahlverfolgung [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Felder ### Ermüdung und Risswachstum Der langsame Schaden an einem Bauwerk durch Millionen kleiner Lastzyklen, verfolgt als Risse, die wachsen und schließlich versagen. Frage, die sie beantwortet: Wie viele Jahre oder Flugstunden, bevor dieses Teil ersetzt werden muss? Lässt aus: Echte Fehler aus der Fertigung sind vielfältiger als die angenommenen idealisierten Anfangsrisse. Läuft auf: etwa 10^14 FLOPS grob eine Konstruktions-Workstation oder ein kleiner Cluster, Stunden pro Bauteil Seit: 1968 spätestens 1968, frühe Computerprogramme zur Lebensdauer bei Ermüdung nach der Bruchmechanik [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Felder ### Tribologie und Kontaktmechanik Reibung, Verschleiß und Schmierung zwischen bewegten Flächen in Lagern, Zahnrädern und Gelenken. Frage, die sie beantwortet: Wie lange wird dieses Lager halten, und wie viel Energie verschwendet die Reibung? Lässt aus: Die Oberflächenrauheit im mikroskopischen Maßstab wird genähert und nicht für jedes Teil gemessen. Läuft auf: etwa 10^13 FLOPS grob ein Konstruktions-Desktop, Stunden pro Kontaktfall Seit: 1970 spätestens 1970, frühe Computermodelle der elastohydrodynamischen Schmierung [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Felder ### Topologieoptimierung Material wird unter Lasten in einem Entwurfsraum hinzugefügt und entfernt, bis die leichteste steife Form entsteht, mit Löchern und Streben, die der Ingenieur nie gezeichnet hat. Frage, die sie beantwortet: Was ist die leichteste Form, die diese Last noch trägt? Lässt aus: Optimale Formen sind oft schwer herzustellen und können empfindlich gegenüber Lasten sein, die nicht bedacht wurden. Läuft auf: etwa 10^13 FLOPS grob Finite-Elemente-Lösungen innerhalb einer Optimierungsschleife mit Millionen Variablen. Seit: 1988 Bendsøes und Kikuchis Erzeugung optimaler Topologien im Konstruktionsentwurf mit einem Homogenisierungsverfahren. [Quelle](https://doi.org/10.1016/0045-7825%2888%2990086-2) [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)[Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)Materieebene: Felder ### Peridynamische Bruchmodellierung Ein Festkörper, dargestellt als Punkte, die über Distanz wechselwirken, sodass Risse entstehen, sich verzweigen und verschmelzen, ohne dass ein Rissverlauf vorab festgelegt wird. Frage, die sie beantwortet: Wie wählt ein Riss seinen Weg durch ein sprödes Material? Lässt aus: Reichweite der Wechselwirkung und Versagensgesetz müssen auf das Material kalibriert werden. Läuft auf: etwa 10^14 FLOPS grob Netzfreie Läufe mit Millionen Knoten. Seit: 2000 Sillings Neuformulierung der Elastizitätstheorie für Unstetigkeiten und weitreichende Kräfte. [Quelle](https://doi.org/10.1016/s0022-5096%2899%2900029-0) [Teilchen und N-Körper](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-particles)[Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Felder ### Modellierung von Weltraumschrott und Satellitenkollisionen Satelliten, Fragmente und Raketenstufen, über Jahrzehnte von Kollisionen und Zerfall hinweg verfolgt, um herauszufinden, ob sie sich selbst nähren und nutzbare Umlaufbahnen blockieren. Frage, die sie beantwortet: Wie viele Kollisionen, bevor Trümmer eine Umlaufbahn unbrauchbar machen? Lässt aus: Kleine unverfolgte Bruchstücke, künftige Starts und das Verhalten bei Gegenmaßnahmen sind unsicher. Läuft auf: etwa 10^11 FLOPS grob Lange Monte-Carlo-Läufe über viele Bahnpopulationen. Seit: 1978 Kessler und Cour-Palais, Kollisionshäufigkeit künstlicher Satelliten und die Entstehung eines Trümmergürtels. [Quelle](https://doi.org/10.1029/ja083ia06p02637) [Stochastische Prozesse](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-stochastic)[Teilchen und N-Körper](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-particles)[Systemdynamik](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-system-dynamics)Materieebene: Regeln ### Co-Simulation verknüpfter Modelle Getrennte Simulationen eines Motors, eines Getriebes, eines Reglers und einer Batterie, jede in einem eigenen Werkzeug gebaut, werden gemeinsam betrieben, indem sie zu vereinbarten Zeitschritten Daten austauschen. Frage, die sie beantwortet: Funktioniert die ganze Maschine, wenn alle Teilsystemmodelle, von verschiedenen Teams gebaut, zusammenlaufen? Lässt aus: Der Datenaustausch in festen Schritten fügt numerischen Fehler hinzu, und eine steife Kopplung kann instabil werden. Läuft auf: etwa 10^10 FLOPS grob Stunden auf einer Workstation für einen Fahrzyklus. Seit: 2011 Blochwitz und Kollegen, das Functional Mock-up Interface für den werkzeugunabhängigen Austausch von Simulationsmodellen. [Quelle](https://doi.org/10.3384/ecp11063105) [Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)[Diskrete Ereignisse](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-discrete-event)[Echtzeit](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-real-time)Materieebene: Regeln ## Elektronik und Computer ### Schaltungssimulation Jede Spannung und jeder Strom in einer elektronischen Schaltung, Transistor für Transistor. Frage, die sie beantwortet: Funktioniert die Schaltung, und wie viel Strom zieht sie? Lässt aus: Bauteilmodelle sind angepasste Näherungen; echtes Silizium variiert von Chip zu Chip. Läuft auf: etwa 10^13 FLOPS grob ein Konstruktions-Desktop, Minuten pro Chipblock Seit: 1973 Nagel und Pedersons SPICE, ein allgemeines Schaltungssimulationsprogramm in Berkeley [Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)Materieebene: Populationen ### Logiksimulation von Chips Ein digitales Chipdesign, das Taktzyklus für Taktzyklus durchlaufen wird, bevor es gefertigt wird. Frage, die sie beantwortet: Berechnet der Chip das richtige Ergebnis, bevor die Fertigungskosten anfallen? Lässt aus: Das Zeitverhalten wird genähert; eine funktionierende Simulation kann nach der Fertigung dennoch versagen. Läuft auf: etwa 10^14 FLOPS grob eine Design-Workstation oder ein kleiner Server-Cluster, Stunden pro Lauf Seit: 1965 spätestens 1965, frühe Gatter-Simulatoren prüfen digitale Logikentwürfe [Diskrete Ereignisse](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-discrete-event)[Regeln und Zustände](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-rules)Materieebene: Regeln ### Elektromagnetik Radiowellen, Licht und Felder um Antennen, Schaltungen und optische Geräte. Frage, die sie beantwortet: Wie gut strahlt diese Antenne ab, und gibt dieses Gerät Störungen ab? Lässt aus: Feine geometrische Details nahe der Gittergrenze werden verwischt. Läuft auf: etwa 10^14 FLOPS grob eine Workstation oder ein Cluster, Stunden pro Entwurf Seit: 1966 Kane Yees Finite-Differenzen-Methode im Zeitbereich [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Felder ### Simulation von Computernetzwerken Pakete, die durch Router, Verbindungen und Protokolle fließen. Frage, die sie beantwortet: Kann das Netz den doppelten Verkehr tragen? Lässt aus: Vereinfacht Eigenheiten echter Hardware und Verkehrsmuster, wie sie in Produktionsnetzen auftreten. Läuft auf: etwa 10^13 FLOPS grob ein Desktop-Rechner oder kleiner Server, Minuten bis Stunden Seit: 1964 Leonard Kleinrocks Warteschlangenanalyse von Paketnetzen [Diskrete Ereignisse](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-discrete-event)Materieebene: Regeln ### Emulation und virtuelle Maschinen Eine Maschine, die eine andere exakt nachahmt, Befehl für Befehl, sodass deren Software unverändert läuft. Frage, die sie beantwortet: Können wir dieses alte oder künftige System auf der Hardware ausführen, die wir haben? Lässt aus: Läuft langsamer als die echte Hardware, wenn es nicht sorgfältig optimiert wird. Läuft auf: etwa 10^12 FLOPS grob ein Desktop-Computer, Echtzeit oder schneller Seit: 1963 spätestens 1963, frühe Befehlssatz-Simulatoren testen Computerentwürfe, bevor es sie gibt [Regeln und Zustände](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-rules)Materieebene: Regeln ### Simulation von Halbleiterbauelementen Elektronen und Dotieratome in einem einzelnen Transistor, bevor er in ein Modell auf Schaltungsebene überführt wird. Frage, die sie beantwortet: Wie verändern Form und Dotierung dieses Transistors sein Schaltverhalten? Lässt aus: Vereinfacht Quanteneffekte, die gerade bei den allerkleinsten Transistorgrößen am wichtigsten sind. Läuft auf: etwa 10^14 FLOPS grob der Cluster eines Halbleiterunternehmens, Stunden pro Bauelement Seit: 1964 Gummels numerisches Modell eines Bipolartransistors [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)[Erste Prinzipien](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-first-principles)Materieebene: Atome ### Digitale Zwillinge von Netzwerken Eine virtuelle Kopie eines Kommunikationsnetzes, im Gleichschritt mit dem echten gehalten, um Änderungen zu testen, bevor sie angewendet werden. Frage, die sie beantwortet: Was würde mit dem Netz geschehen, wenn diese Änderung vorgenommen würde? Lässt aus: Die Wiedergabetreue hängt von der Telemetrie ab, und der Maßstab ist begrenzt. Läuft auf: etwa 10^12 FLOPS grob Modelle auf Paketebene oder gelernte Modelle Seit: 2021 Digital twin networks: a survey (2021) [Quelle](https://doi.org/10.1109/JIOT.2021.3079510) [Diskrete Ereignisse](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-discrete-event)[Gelernte Emulatoren](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-learned)Materieebene: Regeln ### Simulation der optischen Lithografie Licht, das durch eine Maske auf einen lichtempfindlichen Film fällt, um die Schaltungsmuster vorherzusagen, die auf einen Chip gedruckt werden, samt Unschärfe und Lackchemie. Frage, die sie beantwortet: Wird das Muster auf einer Maske wie beabsichtigt auf einen Chip gedruckt? Lässt aus: Lackchemie und stochastische Photoneneffekte bei winzigen Größen werden angenähert. Läuft auf: etwa 10^13 FLOPS grob Vollchip-Simulation für eine Schicht. Seit: 1975 Dills optisches Lithografie-Belichtungsmodell des Resists. [Quelle](https://doi.org/10.1109/t-ed.1975.18158) [Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)[Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Felder ### Simulation von Halbleiterprozessen Die Fertigungsschritte eines Transistors, Implantieren, Eindiffundieren und Oxidieren, werden verfolgt, um Dotierprofile und Formen vor dem Bauelementmodell vorherzusagen. Frage, die sie beantwortet: Welches Dotierprofil und welche Form liefert ein bestimmtes Fertigungsrezept? Lässt aus: Punktdefekt- und Grenzflächenmodelle müssen für jeden neuen Prozess kalibriert werden. Läuft auf: etwa 10^12 FLOPS grob zwei- oder dreidimensionale Diffusions- und Reaktionslösungen. Seit: 1979 Antoniadis' und Duttons Modelle zur Computersimulation vollständiger IC-Fertigungsprozesse. [Quelle](https://doi.org/10.1109/t-ed.1979.19452) [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)[Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)Materieebene: Atome ### Thermische Modellierung von Prozessoren Wärme, die durch die Schichten eines Chips und seines Gehäuses fließt, angetrieben von der wechselnden Leistung der Funktionsblöcke, um Hotspots zu finden und die Drosselung festzulegen. Frage, die sie beantwortet: Wo überhitzt ein Prozessor, wenn sich seine Last ändert? Lässt aus: Das Modell arbeitet mit Leistungsschätzungen, und Gehäuse- und Kühldetails sind zusammengefasst. Läuft auf: etwa 10^8 FLOPS grob ein kompaktes thermisches Netzwerk, das in Sekunden läuft. Seit: 2003 Skadron und Kollegen, temperaturbewusste Mikroarchitektur mit einem kompakten thermischen Modell. [Quelle](https://doi.org/10.1145/859618.859620) [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)[Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)Materieebene: Felder ### Berechnung der Bandstruktur photonischer Kristalle Licht in einer periodischen Anordnung von Dielektrikum, gelöst für die Frequenzen, die sich ausbreiten können und nicht können, um Wellenleiter und Filter zu entwerfen. Frage, die sie beantwortet: Welche Lichtfarben kann eine periodische Struktur blockieren? Lässt aus: Es wird perfekte Periodizität angenommen, deshalb werden Unordnung, Verluste und endliche Größe gesondert hinzugefügt. Läuft auf: etwa 10^10 FLOPS grob Ebene-Wellen-Eigenwertlösungen für jeden Wellenvektor. Seit: 1990 Ho, Chan und Soukoulis' Nachweis einer photonischen Bandlücke in periodischen dielektrischen Strukturen. [Quelle](https://doi.org/10.1103/physrevlett.65.3152) [Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)[Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Felder ### Thermische Modellierung gestapelter Chips Wärme, die durch senkrecht gestapelte Siliziumschichten wandert und von Flüssigkeit dazwischen gekühlt wird, schnell genug gelöst, um den Entwurf des Stapels festzulegen. Frage, die sie beantwortet: Kann ein Stapel von Chips mit Kühlmittelkanälen jede Schicht unter ihrer Grenze halten? Lässt aus: Echte Chips haben Hotspots, die weit kleiner sind als die Zellen des Modells, sodass Spitzentemperaturen unterschätzt werden können. Läuft auf: etwa 10^8 FLOPS grob Minuten auf einer Workstation. Seit: 2010 Das kompakte, transiente thermische Modell 3D-ICE von Sridhar und Kollegen für 3D-Chips mit Flüssigkeitskühlung zwischen den Lagen. [Quelle](https://doi.org/10.1109/iccad.2010.5653749) [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)[Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)Materieebene: Felder ## Robotik und Autonomie ### Robotersimulation Roboter mit simulierten Sensoren und Motoren in einer Physik-Engine, trainiert oder getestet, bevor sie die echte Welt berühren. Frage, die sie beantwortet: Funktioniert ein in der Simulation gelernter Regler am echten Roboter? Lässt aus: Kontakt und Reibung in der echten Welt lassen sich noch immer schwer exakt treffen. Läuft auf: etwa 10^13 FLOPS grob ein Desktop-Rechner mit GPU, Echtzeit oder schneller Seit: 1983 spätestens 1983, frühe Offline-Programmier-Simulatoren planen die Bewegungen von Industrierobotern [Echtzeit](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-real-time)[Gelernte Emulatoren](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-learned)Materieebene: Körper ### Tests autonomer Fahrzeuge Selbstfahrende Software, die Millionen virtueller Kilometer durch seltene und gefährliche Szenarien fährt. Frage, die sie beantwortet: Wie geht das System mit der Situation um, die einmal in einer Million Kilometern vorkommt? Lässt aus: Seltene Szenarien der realen Welt sind weiterhin schwer zu erfassen, wie viele virtuelle Kilometer auch gefahren werden. Läuft auf: etwa 10^15 FLOPS grob eine Flotte von Cloud-GPU-Servern, parallel betrieben Seit: 2004 Simulationsunterstützung für die frühen US-Grand-Challenges für selbstfahrende Fahrzeuge [Echtzeit](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-real-time)[Agentenbasiert](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-agent-based)Materieebene: Körper ### Schwarmrobotik Viele einfache Roboter, die sich nach lokalen Regeln abstimmen, oft von Insekten abgeschaut. Frage, die sie beantwortet: Können hundert billige Roboter tun, was ein teurer nicht kann? Lässt aus: Einfache simulierte Roboter erfassen echtes Sensorrauschen und Batteriegrenzen nicht. Läuft auf: etwa 10^12 FLOPS grob ein Laptop, der Dutzende bis Hunderte Roboter simuliert Seit: 1989 Gerardo Benis frühe Arbeit zu Schwarmintelligenz und zellulärer Robotik [Agentenbasiert](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-agent-based)Materieebene: Körper ### Digitale Zwillinge Eine Simulation, die anhand der Live-Sensordaten einer echten Maschine, Anlage oder eines Gebäudes laufend im Gleichschritt gehalten wird. Frage, die sie beantwortet: Was steht kurz vor dem Ausfall, und was passiert, wenn wir diese Einstellung ändern? Lässt aus: Die Genauigkeit ist durch die gelieferten Sensordaten begrenzt; Lücken und Drift summieren sich. Läuft auf: etwa 10^13 FLOPS grob ein Cloud-Server, der laufend ein Anlagenmodell aktualisiert Seit: 2002 Michael Grieves schlug vor, ein Produkt mit einem lebendigen virtuellen Modell zu koppeln [Diskrete Ereignisse](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-discrete-event)[Gelernte Emulatoren](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-learned)[Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Körper ### Beweglichkeit von Planetenrovern Die Räder und der Arm eines Rovers im Zusammenspiel mit lockerem Boden und Gestein auf einer anderen Welt, bevor er dort je fährt. Frage, die sie beantwortet: Bleibt der Rover stecken, und erreicht sein Arm die Probe? Lässt aus: Außerirdischer Boden ist nur von einer Handvoll Landestellen bekannt, sodass sein Verhalten extrapoliert wird. Läuft auf: etwa 10^13 FLOPS grob der Cluster einer Raumfahrtagentur, Stunden pro Geländefall Seit: 1997 Rad-Boden-Simulationen, die den ersten erfolgreichen Marsrover unterstützten [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)[Echtzeit](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-real-time)Materieebene: Körper ### Steuerung von Exoskeletten und Prothesen Eine tragbare Maschine und ein menschlicher Körper, die sich gemeinsam bewegen, wobei das Steuerungssystem eingestellt wird, bevor ein Mensch sie trägt. Frage, die sie beantwortet: Unterstützt das Gerät die Bewegung des Trägers oder arbeitet es dagegen? Lässt aus: Simulierte Körper erfassen selten die besondere Verletzung oder den Gang eines einzelnen Menschen genau. Läuft auf: etwa 10^13 FLOPS grob der Desktop-Rechner eines Forschungslabors, Echtzeit pro Durchgang Seit: 1990 spätestens 1990, frühe Steuerungssimulationen motorisierter Exoskelette in Forschungslaboren [Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)[Echtzeit](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-real-time)Materieebene: Körper ### GPU-parallele Lernumgebungen für Roboter Tausende simulierte Roboter laufen gleichzeitig auf einer GPU, damit eine Reinforcement-Learning-Strategie in Minuten trainieren kann. Frage, die sie beantwortet: Wie schnell lässt sich eine Roboterstrategie mit massiv paralleler Simulation lernen? Lässt aus: Die Kontaktphysik ist vereinfacht, sodass die Übertragung Sorgfalt braucht. Läuft auf: etwa 10^15 FLOPS grob Tausende parallele Physikumgebungen auf der GPU Seit: 2021 Isaac Gym: high performance GPU-based physics simulation for robot learning (2021) [Quelle](https://arxiv.org/abs/2108.10470) [Echtzeit](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-real-time)[Gelernte Emulatoren](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-learned)Materieebene: Körper ### Domänenrandomisiertes Sim-to-Real-Training Eine Strategie wird in einem Simulator trainiert, dessen Aussehen und Physik zufällig variieren, damit sie in der echten Welt funktioniert. Frage, die sie beantwortet: Kann eine nur in der Simulation trainierte Strategie auf einem echten Roboter funktionieren? Lässt aus: Die Randomisierungsbereiche müssen die echte Lücke abdecken, die sich schwer kennen lässt. Läuft auf: etwa 10^14 FLOPS grob Große randomisierte Trainingsläufe Seit: 2017 Domain randomization for transferring deep neural networks from simulation to the real world (2017) [Quelle](https://arxiv.org/abs/1703.06907) [Gelernte Emulatoren](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-learned)[Stochastische Prozesse](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-stochastic)Materieebene: Körper ### Differenzierbare Physiksimulation Eine Physik-Engine, so geschrieben, dass Gradienten durch Kontakte und Bewegung zurückfließen; so lassen sich Entwürfe oder Regler per Gradientenabstieg einstellen. Frage, die sie beantwortet: Wie sollte sich dieser Regler oder dieser Entwurf ändern, um sein Ergebnis zu verbessern? Lässt aus: Gradienten über harte Kontakte hinweg sind verrauscht oder irreführend. Läuft auf: etwa 10^12 FLOPS grob Rückwärtsdurchläufe durch viele Simulationsschritte Seit: 2016 A differentiable physics engine for deep learning in robotics (2016) [Quelle](https://arxiv.org/abs/1611.01652) [Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)[Gelernte Emulatoren](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-learned)Materieebene: Körper ### Erzeugung gegnerischer Fahrszenarien Ein Optimierer stört die Pfade anderer Verkehrsteilnehmer in aufgezeichneten Szenen, um Situationen zu finden, in denen ein selbstfahrendes System versagt. Frage, die sie beantwortet: Welche realistischen Situationen lassen einen Autonomie-Stack versagen? Lässt aus: Ein Szenario, das das System versagen lässt, kommt auf echten Straßen womöglich fast nie vor und sagt deshalb wenig darüber aus, wie oft Ausfälle passieren. Läuft auf: etwa 10^13 FLOPS grob Viele Simulationsläufe im geschlossenen Regelkreis Seit: 2021 AdvSim: generating safety-critical scenarios for self-driving vehicles (2021) [Quelle](https://arxiv.org/abs/2101.06549) [Stochastische Prozesse](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-stochastic)[Gelernte Emulatoren](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-learned)Materieebene: Körper ### Offene Fahrsimulatoren mit Sensormodellen Eine Spiel-Engine-Welt mit Verkehr, Wetter und simulierten Kameras und Lidar, zur Entwicklung und zum Testen von autonomem Fahren. Frage, die sie beantwortet: Wie würde ein Fahrsystem unter unterschiedlichen Bedingungen sehen und handeln? Lässt aus: Sensor- und Verkehrsrealismus entsprechen nicht genau der echten Welt. Läuft auf: etwa 10^12 FLOPS grob Echtzeit-Rendering auf GPUs Seit: 2017 CARLA: an open urban driving simulator (2017) [Quelle](https://arxiv.org/abs/1711.03938) [Echtzeit](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-real-time)[Regeln und Zustände](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-rules)Materieebene: Körper ### Gelernte Fortbewegung mit Beinen Eine Reinforcement-Learning-Strategie wird in einem Physiksimulator trainiert, damit ein Beinroboter geht und rennt, und dann auf die echte Maschine übertragen. Frage, die sie beantwortet: Kann ein Roboter in der Simulation gehen lernen und auf echtem Boden das Gleichgewicht halten? Lässt aus: Fußkontakt, Motorverzögerungen und Bodenweichheit unterscheiden sich vom Modell, sodass eine Strategie, die in der Simulation funktioniert, an der Maschine versagen kann. Läuft auf: etwa 10^16 FLOPS grob Stunden bis Tage GPU-Zeit pro Gangart. Seit: 2018 Das Sim-to-Real-Lernen agiler Fortbewegung für vierbeinige Roboter von Tan und Kollegen. [Quelle](https://arxiv.org/abs/1804.10332) [Gelernte Emulatoren](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-learned)[Echtzeit](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-real-time)[Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)Materieebene: Körper ### Gelernte Fortbewegung von Humanoiden Ein neuronaler Regler wird in der Simulation für einen zweibeinigen, menschenförmigen Roboter trainiert, damit er über viele Arten von Untergrund geht; zur Anpassung nutzt er den Verlauf seiner eigenen Sinneswahrnehmungen. Frage, die sie beantwortet: Kann ein Humanoid mit einer Strategie, die ganz ohne echte Versuche gelernt wurde, im Freien auf Treppen, Gras und Hängen gehen? Lässt aus: Stürze eines humanoiden Roboters in voller Größe sind gefährlich und teuer, sodass vorsichtig getestet wird und die Grenzen der Strategie nicht kartiert sind. Läuft auf: etwa 10^17 FLOPS grob Tage auf einem GPU-Cluster. Seit: 2023 Radosavovic und Kollegen, Fortbewegung von Humanoiden in der realen Welt mit bestärkendem Lernen. [Quelle](https://arxiv.org/abs/2303.03381) [Gelernte Emulatoren](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-learned)[Echtzeit](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-real-time)[Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)Materieebene: Körper ### Drohnenflugsimulation Kleine Fluggeräte mit Rotoren, Sensoren und Kameras fliegen unter simuliertem Wind und simulierter Physik durch gerenderte Szenen, um Autonomie zu entwickeln und sie sicher zu testen. Frage, die sie beantwortet: Hält diese Flugsoftware die Drohne stabil und vermeidet Hindernisse, bevor sie je abhebt? Lässt aus: Aerodynamik dicht über dem Boden, in Böen und zwischen Hindernissen ist vereinfacht, sodass Grenzfälle erst bei einer echten Drohne auftreten. Läuft auf: etwa 10^12 FLOPS grob Echtzeit auf einer Gaming-GPU oder Tausende Läufe parallel. Seit: 2017 Shah und Kollegen, AirSim, visuelle und physikalische Simulation für Luft- und Bodenfahrzeuge. [Quelle](https://arxiv.org/abs/1705.05065) [Echtzeit](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-real-time)[Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)Materieebene: Körper ### Gelerntes Drohnenrennen Eine Steuerungsstrategie wird in der Simulation trainiert, einen Quadrokopter an der Grenze seiner Geschwindigkeit durch einen Rennparcours zu fliegen, und dann mit dem echten Fluggerät geflogen. Frage, die sie beantwortet: Kann ein gelernter Regler schneller fliegen als ein menschlicher Meisterpilot? Lässt aus: Der Kurs ist bekannt und gut beleuchtet, daher ist nicht gezeigt, dass die Strategie an unbekannten Orten oder unter schlechten Bedingungen funktioniert. Läuft auf: etwa 10^16 FLOPS grob Tage GPU-Training in der Simulation. Seit: 2023 Kaufmann und Kollegen, Drohnenrennen auf Meisterniveau mit tiefem bestärkendem Lernen. [Quelle](https://doi.org/10.1038/s41586-023-06419-4) [Gelernte Emulatoren](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-learned)[Echtzeit](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-real-time)[Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)Materieebene: Körper ### Simulation weicher Roboter Ein Roboter aus gummiartigem Material wird per Finite-Elemente-Methode als verformbarer Festkörper modelliert, schnell genug, um ihn in Echtzeit zu steuern. Frage, die sie beantwortet: Wie muss der Luftdruck in den Kammern verändert werden, damit der weiche Arm einen bestimmten Punkt erreicht? Lässt aus: Die Eigenschaften von Gummi ändern sich mit Temperatur und Alter, und die Geschwindigkeit des Modells erfordert ein grobes Netz. Läuft auf: etwa 10^9 FLOPS grob Echtzeit auf einer Workstation. Seit: 2013 Duriez' Steuerung elastischer weicher Roboter auf Grundlage einer Echtzeit-Finite-Elemente-Methode. [Quelle](https://doi.org/10.1109/icra.2013.6631138) [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)[Echtzeit](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-real-time)[Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)Materieebene: Körper ### Simulation taktiler Sensoren Die Tastbilder, die ein kamerabasierter Hautsensor beim Drücken auf Objekte aufnehmen würde, werden in der Simulation gerendert, damit Roboterhände fühlen lernen können. Frage, die sie beantwortet: Kann ein Roboter lernen, Objekte durch Berührung zu handhaben, ohne echte Sensoren zu verschleißen? Lässt aus: Die weiche Verformung des Gels wird nur genähert dargestellt, deshalb sind die Sim-to-Real-Lücken bei feiner Textur größer. Läuft auf: etwa 10^10 FLOPS grob Echtzeit auf einer Gaming-GPU. Seit: 2020 TACTO von Wang und Kollegen, ein schneller Open-Source-Simulator für visionbasierte Tastsensoren. [Quelle](https://arxiv.org/abs/2012.08456) [Echtzeit](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-real-time)[Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)[Gelernte Emulatoren](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-learned)Materieebene: Körper ## Raumfahrt und Energie ### Flugbahnen von Raumfahrzeugen Bahnen durch die Gravitation von Sonne, Planeten und Monden, einschließlich Swing-by-Manövern. Frage, die sie beantwortet: Was ist der billigste Weg zu diesem Mond, und wann starten wir? Lässt aus: Setzt bekannte Schwerkraft und keine Störungen voraus; echte Navigation braucht trotzdem Kurskorrekturen. Läuft auf: etwa 10^12 FLOPS grob ein Laptop, Sekunden pro Kandidatentrajektorie Seit: 1959 frühe Bahnberechnungen für die ersten Mondmissionen [Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)Materieebene: Körper ### Atmosphäreneintritt Ein Raumfahrzeug, das mit vielen Kilometern pro Sekunde auf die Atmosphäre trifft, mit der Stoßwelle und der Hitze um es herum. Frage, die sie beantwortet: Übersteht der Hitzeschild es? Lässt aus: Seltene Strömungschemie bei extremer Geschwindigkeit bleibt eine aktive Quelle von Unsicherheit. Läuft auf: etwa 10^15 FLOPS grob ein nationaler oder universitärer HPC-Cluster, Stunden pro Fall Seit: 1958 spätestens 1958, frühe Berechnungen der Wiedereintrittserwärmung ballistischer Raketen [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Felder ### Batterien und Brennstoffzellen Ionen und Elektronen, die sich durch Elektroden und Elektrolyt bewegen, während eine Zelle lädt und altert. Frage, die sie beantwortet: Wie lässt sich das Laden beschleunigen, ohne den Verschleiß der Batterie zu beschleunigen? Lässt aus: Die Alterung über Tausende Zyklen wird weiterhin extrapoliert und nicht vollständig simuliert. Läuft auf: etwa 10^14 FLOPS grob ein Universitätscluster, Stunden pro Zellentwurf Seit: 1993 Doyles, Fullers und Newmans Batteriemodell mit poröser Elektrode [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)[Erste Prinzipien](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-first-principles)Materieebene: Felder ### Simulation von Raketentriebwerken Heißes Verbrennungsgas, das sich durch die Düse eines Raketentriebwerks ausdehnt, und die Wärme, die es an die Wände abgibt, die das überstehen müssen. Frage, die sie beantwortet: Wie viel Schub erzeugt dieses Triebwerk, und überstehen Düse und Wände die Hitze? Lässt aus: Verbrennungsinstabilität, bei der die Flamme selbst zu schwingen beginnt, ist noch immer schwer vorherzusagen. Läuft auf: etwa 10^16 FLOPS grob der Supercomputer-Anteil einer Raumfahrtagentur oder eines Raumfahrtunternehmens, Stunden pro Fall Seit: 1968 spätestens 1968, frühe Rechenmodelle von Raketenbrennkammern [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Felder ### Thermische und Energiesimulation von Raumfahrzeugen Wärme und elektrische Leistung, die durch einen Satelliten fließen, während Sonnenlicht, Schatten und Bordgeräte wechseln. Frage, die sie beantwortet: Bleibt jeder Teil des Raumfahrzeugs innerhalb seines sicheren Temperatur- und Energiebudgets? Lässt aus: Setzt voraus, dass Oberflächen wie erwartet altern und verfallen, was Jahre im Orbit nicht immer bestätigen. Läuft auf: etwa 10^12 FLOPS grob der Desktop-Rechner eines Satelliteningenieurs, Minuten pro Umlaufbahnfall Seit: 1965 spätestens 1965, frühe Wärmebilanzmodelle für umlaufende Satelliten [Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)Materieebene: Körper ### Ertragssimulation für Solar- und Windparks Sonnenlicht oder Wind über ein Jahr werden mit den Modulen oder Turbinen eines Parks abgeglichen, um vorherzusagen, wie viel Energie er erzeugt. Frage, die sie beantwortet: Wie viel Strom wird dieser Park tatsächlich erzeugen, und lohnt sich der Bau? Lässt aus: Ein einzelnes ungewöhnliches Wetterjahr kann trotzdem stark vom langjährigen Mittel abweichen. Läuft auf: etwa 10^12 FLOPS grob der Desktop-Rechner eines Bauträgers, Minuten pro Standort Seit: 1981 spätestens 1981, frühe computergestützte Windpotenzialbewertung für die Standortwahl von Windparks [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)[Stochastische Prozesse](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-stochastic)Materieebene: Felder ### Kollisionsrisiko bei Megakonstellationen Zehntausende Satelliten in gemeinsamen niedrigen Umlaufbahnen werden gegen vorhandene Trümmer verfolgt, um Beinahe-Begegnungen, Ausweichmanöver und die Wirkung von Ausfällen abzuschätzen. Frage, die sie beantwortet: Wie viele Kollisionen würde eine Megakonstellation hinzufügen, und wie schnell müssen ausgefallene Satelliten entfernt werden? Lässt aus: Künftige Startraten, Ausfallraten und das Verhalten der Betreiber sind Annahmen, und kleine unverfolgte Fragmente sind schlecht bekannt. Läuft auf: etwa 10^14 FLOPS grob Tage auf einem Cluster für Jahrzehnte der Bahnentwicklung. Seit: 2017 Radtke und Kollegen, Studie dazu, wie Megakonstellationen mit der Weltraumschrott-Umgebung wechselwirken. [Quelle](https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2016.11.021) [Teilchen und N-Körper](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-particles)[Monte Carlo](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-monte-carlo)[Stochastische Prozesse](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-stochastic)Materieebene: Regeln ### Kollisionswahrscheinlichkeit bei Annäherungen Die vorhergesagten Bahnen zweier Objekte mit ihren Unsicherheiten dienen dazu, die Wahrscheinlichkeit zu berechnen, dass sie zusammenstoßen, wenn sie dicht aneinander vorbeiziehen. Frage, die sie beantwortet: Lohnt es sich, Triebwerke zu zünden, um dieser Annäherung auszuweichen? Lässt aus: Bahnunsicherheiten werden oft unterschätzt, und eine einzelne Wahrscheinlichkeit hängt stark von der angenommenen Form des Fehlers ab. Läuft auf: etwa 10^6 FLOPS grob Sekunden pro Konjunktion, gerechnet über Tausende Objekte. Seit: 1999 Die Analyse der Fehler bei der Kollisionswahrscheinlichkeit durch Alfriend und Kollegen. [Quelle](https://doi.org/10.1023/a:1010056509803) [Differentialgleichungen](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-equations)[Monte Carlo](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-monte-carlo)Materieebene: Regeln ## Fertigung und Materialverarbeitung ### Metallguss und Erstarrung Flüssiges Metall, das eine Form füllt und erstarrt, verfolgt, um zu sehen, wo es schlecht füllt oder zu einem Defekt schrumpft. Frage, die sie beantwortet: Füllt sich dieser Guss richtig, und wo bilden sich die Fehler? Lässt aus: Echte Ofen- und Formbedingungen schwanken stärker als ein einzelner simulierter Guss. Läuft auf: etwa 10^14 FLOPS grob der Cluster eines Ingenieurbüros, Stunden pro Fall Seit: 1985 spätestens 1985, frühe Computersimulationen dieses Fertigungsverfahrens [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Felder ### Schweißsimulation Metall, das in der schmalen Zone um eine Schweißnaht schmilzt, sich vermischt und abkühlt, mit den Spannungen, die das fertige Teil verziehen. Frage, die sie beantwortet: Hält die Schweißnaht, und wie stark verzieht sich das Teil danach? Lässt aus: Setzt saubere, stabile Schweißbedingungen voraus, die manuelles Schweißen nicht immer bietet. Läuft auf: etwa 10^14 FLOPS grob der Cluster eines Ingenieurbüros, Stunden pro Fall Seit: 1975 spätestens 1975, frühe Computersimulationen dieses Fertigungsverfahrens [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Felder ### Simulation der additiven Fertigung Ein Bauteil, das Schicht für Schicht von einer bewegten Wärmequelle aufgebaut wird; verfolgt werden die Erwärmung, das Schmelzen und die Eigenspannung, die dabei zurückbleiben. Frage, die sie beantwortet: Verzieht sich das fertige Teil oder reißt es, und wie sollte es auf der Bauplatte ausgerichtet werden? Lässt aus: Simulationen ganzer Bauteile in echter Auflösung sind für die meisten Produktionspläne noch zu langsam. Läuft auf: etwa 10^14 FLOPS grob der Cluster eines Ingenieurbüros, Stunden pro Fall Seit: 1995 spätestens 1995, frühe Computersimulationen dieses Fertigungsverfahrens [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Felder ### Metallumformung und Stanzen Blech oder ein heißer Barren, der in seine endgültige Form gepresst, gestanzt oder geschmiedet wird. Frage, die sie beantwortet: Reißt das Metall oder wirft es Falten, bevor es die Endform erreicht? Lässt aus: Setzt ein einheitliches Ausgangsblech voraus; echte Materialchargen schwanken stärker. Läuft auf: etwa 10^14 FLOPS grob der Cluster eines Ingenieurbüros, Stunden pro Fall Seit: 1980 spätestens 1980, frühe Computersimulationen dieses Fertigungsverfahrens [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Felder ### Zerspanungssimulation Ein Schneidwerkzeug, das Metall als Späne abträgt, samt den dabei entstehenden Kräften, der Hitze und dem Verschleiß. Frage, die sie beantwortet: Wie schnell können wir schneiden, ohne das Werkzeug zu zerstören oder die Oberflächengüte zu ruinieren? Lässt aus: Der Werkzeugverschleiß über viele Teile wird noch meist aus Erfahrung geschätzt, nicht aus ersten Prinzipien. Läuft auf: etwa 10^13 FLOPS grob der Cluster eines Ingenieurbüros, Stunden pro Fall Seit: 1982 spätestens 1982, frühe Computersimulationen dieses Fertigungsverfahrens [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Felder ### Simulation des Spritzgießens Flüssiger Kunststoff, der die Hohlräume einer Form füllt und zu seiner endgültigen Gestalt abkühlt. Frage, die sie beantwortet: Füllt sich die Form gleichmäßig, und wo verzieht sie sich oder zeigt Fehler? Lässt aus: Echte Kunststoffchargen unterscheiden sich darin, wie genau sie fließen, stärker, als Standardmaterialdaten annehmen. Läuft auf: etwa 10^13 FLOPS grob der Cluster eines Ingenieurbüros, Stunden pro Fall Seit: 1976 spätestens 1976, frühe Computersimulationen dieses Fertigungsverfahrens [Kontinuumsfelder](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/methods#m-continuum)Materieebene: Felder [◂ Menschliches Verhalten und Gesellschaft](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/human-society)[Städte, Infrastruktur und Betrieb ▸](https://simulation-hypothesis.com/de/simulations/cities-operations)