Ingénierie et technologie
L’air autour des ailes, les structures sous charge, les puces avant fabrication, les robots avant d’être construits.
Presque rien n’est construit aujourd’hui sans avoir été simulé d’abord. Depuis cinquante ans, la simulation a remplacé la plupart des prototypes physiques. La forme la plus ancienne, la maquette physique, reste en usage.
Aérodynamique
De l’air qui s’écoule sur des ailes, des voitures, des bâtiments et des éoliennes.
Question à laquelle elle répond: Quelle traînée, quelle portance, et où l’écoulement décolle-t-il ?
Laisse de côté : La turbulence est modélisée, pas résolue, si bien que les détails fins de séparation sont approximatifs.
Tourne sur : environ 1015 FLOPS approximatif un cluster de calcul haute performance universitaire ou d’entreprise, des jours par casDepuis : 1962 La méthode des panneaux de Hess et Smith pour les formes d’avion
Turbulence
Chaque tourbillon d’un écoulement turbulent résolu directement, du plus grand jusqu’au plus petit.
Question à laquelle elle répond: Que fait réellement la turbulence, pour que des modèles moins coûteux puissent l’approximer ?
Laisse de côté : Limité à des nombres de Reynolds modestes ; les vrais écoulements dépassent les plus grandes machines.
Tourne sur : environ 1017 FLOPS approximatif un supercalculateur national, une grande part, pendant des semainesDepuis : 1972 La première simulation numérique directe en 3D d’Orszag et Patterson
Maquettes physiques à l’échelle
Souffleries, bassins à vagues, modèles de rivières et tables vibrantes : les plus anciennes simulations, encore utilisées pour vérifier les simulations numériques.
Question à laquelle elle répond: L’écoulement réel correspond-il à ce que l’ordinateur a prédit ?
Laisse de côté : Les effets d’échelle font qu’un petit modèle ne se comporte pas toujours comme la chose en taille réelle.
Tourne sur : aucun ordinateur. pas de calcul numérique ; de l’air réel, de l’eau ou une table vibrante à la placeDepuis : 1871 Frank Wenham a construit l’une des premières souffleries
Simulation de la cavitation
Des bulles qui se forment et s’effondrent violemment dans un liquide rapide, autour des hélices de navires, des pompes et des vannes.
Question à laquelle elle répond: Où la cavitation érodera-t-elle cette hélice ou cette pompe, et comment concevoir pour l’éviter ?
Laisse de côté : L’effondrement des bulles se produit à des échelles plus fines que ce que la plupart des simulations peuvent se permettre de résoudre partout.
Tourne sur : environ 1015 FLOPS approximatif un cluster universitaire ou de chantier naval, quelques heures par casDepuis : 1988 dès 1988, premiers modèles numériques de l’écoulement cavitant autour des hélices
Écoulements multiphasiques et en conduite
Du pétrole, du gaz, de l’eau et des boues qui circulent ensemble dans des pipelines, des puits et des installations de traitement.
Question à laquelle elle répond: Le pipeline coulera-t-il sans heurt, ou des bouchons de liquide et de gaz l’étrangleront-ils ?
Laisse de côté : La formation soudaine de bouchons reste l’une des choses les plus difficiles à prédire de façon fiable.
Tourne sur : environ 1014 FLOPS approximatif le cluster d’une compagnie d’énergie, quelques heures par cas de pipelineDepuis : 1979 dès 1979, premiers modèles d’écoulement multiphasique pour les pipelines pétroliers et gaziers en mer
Simulation de l’accrétion de glace
Des gouttelettes d’eau surfondue qui givrent sur des ailes d’avion et des pales d’éolienne, en vol ou dans le vent.
Question à laquelle elle répond: Combien de glace va se former, et le dégivrage suivra-t-il ?
Laisse de côté : La taille réelle des gouttelettes de nuage et la glace en phase mixte varient plus que ne le supposent les conditions d’essai standard.
Tourne sur : environ 1014 FLOPS approximatif le cluster d’un laboratoire aérospatial, quelques heures par cas de givrageDepuis : 1988 dès 1988, premiers codes de calcul du givrage qui appuient la certification des avions
Réseaux de neurones informés par la physique
Un réseau de neurones est entraîné pour que ses sorties satisfassent à la fois une équation différentielle et des données observées.
Question à laquelle elle répond: Un réseau peut-il apprendre la solution d’une EDP avec peu de maillage, voire aucun ?
Laisse de côté : L’entraînement est lent et peu fiable pour les problèmes raides ou turbulents.
Tourne sur : environ 1013 FLOPS approximatif Entraînement par gradient avec différentiation automatiqueDepuis : 2017 Physics informed deep learning, part I (2017) source
Opérateurs neuronaux
Un réseau apprend l’application qui va d’une fonction, comme une condition aux limites, à la solution d’une EDP, si bien que de nouvelles entrées obtiennent une réponse en une seule passe.
Question à laquelle elle répond: Un modèle entraîné peut-il résoudre instantanément toute une famille d’EDP ?
Laisse de côté : Exige de nombreuses exécutions de solveur pour l’entraînement et extrapole mal.
Tourne sur : environ 1015 FLOPS approximatif Génération de données coûteuse, puis inférence rapideDepuis : 2019 DeepONet: learning nonlinear operators (2019), followed by Fourier neural operators (2020) source
Simulateurs appris à base de réseaux de graphes
Un réseau de neurones sur graphe, entraîné sur des données de simulation, fait avancer des particules ou des nœuds de maillage pour imiter fluides, tissus et solides.
Question à laquelle elle répond: Un réseau de neurones peut-il remplacer un solveur de physique pour les fluides et les objets déformables ?
Laisse de côté : Les erreurs s’accumulent sur les longs déroulements et la conservation n’est pas garantie.
Tourne sur : environ 1014 FLOPS approximatif Entraînement sur des données de solveur, déroulé plus rapideDepuis : 2020 Learning to simulate complex physics with graph networks (2020) source
Solveurs de fluides appris
Un réseau convolutif remplace l’étape de projection de pression d’un solveur de fluides sur grille, pour accélérer la simulation de fumée et de liquide.
Question à laquelle elle répond: Un réseau entraîné peut-il rendre un solveur d’écoulement incompressible beaucoup plus rapide ?
Laisse de côté : La stabilité et la précision ne sont testées que sur des écoulements proches de ceux de l’entraînement.
Tourne sur : environ 1012 FLOPS approximatif Entraînement sur des données de solveur, inférence rapideDepuis : 2016 Accelerating Eulerian fluid simulation with convolutional networks (2016) source
Automates à gaz sur réseau pour l’écoulement des fluides
Des particules qui sautent sur un réseau avec des règles de collision simples qui reproduisent à grande échelle l’écoulement d’un liquide ou d’un gaz, sans aucune équation de mécanique des fluides intégrée.
Question à laquelle elle répond: L’écoulement d’un fluide peut-il émerger de règles simples de particules sur un réseau ?
Laisse de côté : Le bruit des particules discrètes et l’absence d’invariance galiléenne limitent la précision, ce qui explique son remplacement.
Tourne sur : environ 1011 FLOPS approximatif des règles bit à bit sur un réseau de millions de sites.Depuis : 1986 Les automates de gaz sur réseau pour l’équation de Navier-Stokes de Frisch, Hasslacher et Pomeau. source
Simulation d’écoulement par la méthode de Boltzmann sur réseau
Un fluide représenté par des distributions de vitesses de particules sur un réseau, qui se propagent et se heurtent pour donner un écoulement dans des géométries complexes comme la roche poreuse ou les vaisseaux sanguins.
Question à laquelle elle répond: Comment un fluide s’écoule-t-il dans une géométrie très compliquée ?
Laisse de côté : La méthode est limitée aux faibles nombres de Mach, et le traitement des frontières demande du soin.
Tourne sur : environ 1015 FLOPS approximatif des milliards de cellules de réseau sur du matériel graphique ou un cluster.Depuis : 1988 L’utilisation de l’équation de Boltzmann par McNamara et Zanetti pour simuler des automates à gaz sur réseau. source
Simulation directe des gaz raréfiés
Des molécules d’un gaz ténu déplacées et entrées en collision au hasard, là où le gaz est trop clairsemé pour être un fluide continu, comme aux confins de l’espace ou dans de minuscules canaux.
Question à laquelle elle répond: Comment un gaz ténu s’écoule-t-il autour d’un véhicule à la lisière de l’atmosphère ?
Laisse de côté : Chaque particule simulée représente des milliers de milliards de particules réelles, si bien que le bruit statistique est élevé aux basses vitesses.
Tourne sur : environ 1014 FLOPS approximatif des milliards de particules simulées.Depuis : 1963 La simulation directe par Bird de l’approche de l’équilibre de translation dans un gaz de sphères rigides. source
Simulation aux grandes échelles de parcs éoliens
De l’air turbulent à travers un parc éolien, avec les forces de chaque rotor ajoutées, pour voir comment les sillages interagissent et réduisent la puissance des turbines en aval.
Question à laquelle elle répond: Combien de puissance un parc éolien perd-il à cause de ses propres sillages ?
Laisse de côté : Les pales de turbine sont remplacées par des disques de force, et le terrain et la stabilité atmosphérique changent les résultats.
Tourne sur : environ 1016 FLOPS approximatif des simulations aux grandes échelles sur un domaine de plusieurs kilomètres avec des dizaines d’éoliennes.Depuis : 2010 La simulation des grandes échelles des couches limites de parcs éoliens pleinement développées par Calaf, Meneveau et Meyers. source
Interaction fluide-structure
Un fluide en mouvement et un corps qui se déforme, résolus ensemble, pour prédire battements, vibrations et flottement des ailes, des ponts et des valves.
Question à laquelle elle répond: Comment une structure souple bouge-t-elle dans l’écoulement qui l’entoure ?
Laisse de côté : Le mouvement du maillage et les forts effets de masse ajoutée rendent le couplage coûteux et parfois instable.
Tourne sur : environ 1015 FLOPS approximatif des solveurs couplés de fluide et de solide itérés à chaque pas.Depuis : 1974 La méthode lagrangienne-eulérienne arbitraire de Hirt, Amsden et Cook pour les écoulements à toutes les vitesses. source
Simulation des grandes échelles de la dynamique des incendies
Le gaz chaud et la fumée d’un incendie dans une pièce, un tunnel ou un bâtiment, résolus comme un écoulement turbulent à flottabilité avec une combustion simple, pour voir comment la chaleur et les fumées se propagent.
Question à laquelle elle répond: En combien de temps la fumée remplira-t-elle ce couloir, et à partir de quand les gens ne verront-ils plus la sortie ?
Laisse de côté : La chimie de la combustion et la suie sont simplifiées, et les vrais combustibles, fenêtres et meubles ne sont décrits qu’approximativement.
Tourne sur : environ 1013 FLOPS approximatif des jours sur un cluster pour un grand incendie de bâtiment.Depuis : 2000 Le manuel d’utilisation du Fire Dynamics Simulator de McGrattan et ses collègues, publié par l’Institut national américain des normes et de la technologie. source
Analyse structurale
Ponts, bâtiments, avions et pièces sous charge, chaleur et vibrations.
Question à laquelle elle répond: Où est le point faible, et quelle marge reste-t-il ?
Laisse de côté : Suppose des matériaux et des charges idéalisés ; les vrais défauts se gèrent par des marges, pas par la physique.
Tourne sur : environ 1014 FLOPS approximatif un poste de travail d’ingénierie ou un petit cluster, quelques heures par casDepuis : 1956 La méthode de structure d’avion de Turner, Clough, Martin et Topp
Simulation de collision
Des véhicules qui se déforment dans une collision, avec des occupants virtuels à l’intérieur.
Question à laquelle elle répond: Comment protéger les gens à l’intérieur ?
Laisse de côté : Les blessures des occupants sont estimées à partir de modèles de mannequins, pas de la variabilité des vrais tissus humains.
Tourne sur : environ 1015 FLOPS approximatif le cluster de calcul haute performance d’un constructeur automobile, quelques heures par cas de collisionDepuis : 1979 dès 1979, des codes d’éléments finis explicites de laboratoires nationaux modélisent les impacts de véhicules
Dynamique multicorps
Des machines faites de pièces rigides reliées par des charnières, des ressorts et des engrenages : suspensions, moteurs, bras de robot.
Question à laquelle elle répond: Le mécanisme bougera-t-il comme prévu, et où vont les charges ?
Laisse de côté : Les pièces sont traitées comme rigides ou légèrement flexibles, ce qui manque les modes de vibration fins.
Tourne sur : environ 1013 FLOPS approximatif le poste de bureau d’un ingénieur, de quelques minutes à quelques heuresDepuis : 1971 La méthode informatique d’analyse des mécanismes de Sheth et Uicker
Acoustique et vibrations
Ondes sonores dans les salles, les moteurs et les villes, et vibrations dans les structures.
Question à laquelle elle répond: Cette salle aura-t-elle une bonne qualité acoustique, et ce pont résonnera-t-il de façon audible ?
Laisse de côté : A du mal aux basses fréquences, où les effets ondulatoires dominent sur les rayons.
Tourne sur : environ 1014 FLOPS approximatif un poste de travail ou un petit cluster, quelques heures par casDepuis : 1968 Krokstad et ses collègues ont modélisé l’acoustique des salles par lancer de rayons
Fatigue et propagation des fissures
Les dommages lents d’une structure sous des millions de petits cycles de charge, suivis comme des fissures qui grandissent et finissent par rompre.
Question à laquelle elle répond: Combien d’années ou d’heures de vol avant que cette pièce doive être remplacée ?
Laisse de côté : Les vrais défauts de fabrication sont plus variés que les fissures de départ idéalisées supposées.
Tourne sur : environ 1014 FLOPS approximatif un poste de travail d’ingénierie ou un petit cluster, quelques heures par pièceDepuis : 1968 dès 1968, premiers codes de calcul de durée de vie en fatigue par mécanique de la rupture
Tribologie et mécanique du contact
Frottement, usure et lubrification entre surfaces mobiles dans les roulements, les engrenages et les articulations.
Question à laquelle elle répond: Combien de temps ce roulement durera-t-il, et combien d’énergie le frottement gaspille-t-il ?
Laisse de côté : La rugosité de surface à l’échelle microscopique est approximée, pas mesurée pour chaque pièce.
Tourne sur : environ 1013 FLOPS approximatif le poste de bureau d’un ingénieur, quelques heures par cas de contactDepuis : 1970 dès 1970, premiers modèles informatiques de lubrification élastohydrodynamique
Optimisation topologique
De la matière ajoutée et retirée dans un espace de conception sous charges, jusqu’à ce qu’apparaisse la forme rigide la plus légère, avec des trous et des entretoises que l’ingénieur n’a jamais dessinés.
Question à laquelle elle répond: Quelle est la forme la plus légère qui porte encore cette charge ?
Laisse de côté : Les formes optimales sont souvent difficiles à fabriquer et peuvent être fragiles face à des charges qu’on n’a pas considérées.
Tourne sur : environ 1013 FLOPS approximatif des résolutions par éléments finis dans une boucle d’optimisation à des millions de variables.Depuis : 1988 La génération de topologies optimales en conception structurelle par une méthode d’homogénéisation, de Bendsøe et Kikuchi. source
Modélisation de la rupture par péridynamique
Un solide représenté par des points qui interagissent à distance, si bien que les fissures naissent, bifurquent et fusionnent sans qu’aucun chemin de fissure soit défini à l’avance.
Question à laquelle elle répond: Comment une fissure choisit-elle son chemin dans un matériau fragile ?
Laisse de côté : La portée d’interaction et la loi de rupture doivent être calibrées sur le matériau.
Tourne sur : environ 1014 FLOPS approximatif des exécutions sans maillage avec des millions de nœuds.Depuis : 2000 La reformulation de la théorie de l’élasticité de Silling pour les discontinuités et les forces à longue portée. source
Modélisation des débris orbitaux et des collisions de satellites
Des satellites, des fragments et des corps de fusée suivis sur des décennies de collisions et de désintégration, pour savoir s’ils s’alimentent eux-mêmes et ferment des orbites utiles.
Question à laquelle elle répond: Combien de collisions avant que les débris rendent une orbite inutilisable ?
Laisse de côté : Les petits fragments non suivis, les lancements futurs et le comportement d’atténuation sont incertains.
Tourne sur : environ 1011 FLOPS approximatif de longues simulations Monte Carlo sur de nombreuses populations d’orbites.Depuis : 1978 La fréquence de collision des satellites artificiels et la création d’une ceinture de débris, par Kessler et Cour-Palais. source
Co-simulation de modèles liés
Des simulations séparées d’un moteur, d’une boîte de vitesses, d’un contrôleur et d’une batterie, chacune construite dans son propre outil, sont exécutées ensemble en échangeant des données à des pas de temps convenus.
Question à laquelle elle répond: Toute la machine fonctionne-t-elle quand tous les modèles de sous-systèmes, construits par des équipes différentes, tournent ensemble ?
Laisse de côté : Échanger des données à pas fixes ajoute une erreur numérique, et un couplage raide peut devenir instable.
Tourne sur : environ 1010 FLOPS approximatif des heures sur une station de travail pour un cycle de véhicule.Depuis : 2011 Blochwitz et ses collègues, la Functional Mock-up Interface pour l’échange de modèles de simulation indépendamment des outils. source
Simulation de circuits
Chaque tension et chaque courant d’un circuit électronique, transistor par transistor.
Question à laquelle elle répond: Le circuit fonctionne-t-il, et quelle puissance consomme-t-il ?
Laisse de côté : Les modèles de composants sont des approximations ajustées ; le vrai silicium varie d’une puce à l’autre.
Tourne sur : environ 1013 FLOPS approximatif le poste de bureau d’un ingénieur, quelques minutes par bloc de puceDepuis : 1973 SPICE, le programme général de simulation de circuits de Nagel et Pederson à Berkeley
Simulation logique des puces
La conception d’une puce numérique exécutée un cycle d’horloge à la fois avant sa fabrication.
Question à laquelle elle répond: La puce calcule-t-elle le bon résultat avant que le coût de fabrication soit engagé ?
Laisse de côté : Le timing est approximé ; une simulation qui fonctionne peut encore échouer une fois fabriquée.
Tourne sur : environ 1014 FLOPS approximatif un poste de travail de conception ou un petit cluster, quelques heures par exécutionDepuis : 1965 dès 1965, premiers simulateurs au niveau des portes qui vérifient des conceptions de logique numérique
Électromagnétisme
Des ondes radio, de la lumière et des champs autour d’antennes, de circuits et de dispositifs optiques.
Question à laquelle elle répond: Dans quelle mesure cette antenne rayonne-t-elle bien, et cet appareil laisse-t-il fuir des interférences ?
Laisse de côté : Les fins détails géométriques proches de la limite du maillage sont lissés.
Tourne sur : environ 1014 FLOPS approximatif un poste de travail ou un cluster, quelques heures par conceptionDepuis : 1966 La méthode des différences finies dans le domaine temporel de Kane Yee
Simulation de réseaux informatiques
Des paquets qui circulent à travers des routeurs, des liens et des protocoles.
Question à laquelle elle répond: Le réseau peut-il soutenir un trafic deux fois plus élevé ?
Laisse de côté : Simplifie les particularités du vrai matériel et les schémas de trafic observés dans les réseaux de production.
Tourne sur : environ 1013 FLOPS approximatif un ordinateur de bureau ou un petit serveur, de quelques minutes à quelques heuresDepuis : 1964 L’analyse en files d’attente des réseaux à commutation de paquets de Leonard Kleinrock
Émulation et machines virtuelles
Une machine qui en imite une autre exactement, instruction par instruction, de sorte que son logiciel tourne sans changement.
Question à laquelle elle répond: Peut-on faire tourner ce système ancien ou futur sur le matériel dont on dispose ?
Laisse de côté : Tourne plus lentement que le vrai matériel, sauf optimisation soignée.
Tourne sur : environ 1012 FLOPS approximatif un ordinateur de bureau, en temps réel ou plus viteDepuis : 1963 dès 1963, premiers simulateurs de jeu d’instructions qui testent des conceptions d’ordinateurs avant qu’elles n’existent
Simulation de composants à semi-conducteurs
Électrons et atomes dopants à l’intérieur d’un seul transistor, avant d’en faire un modèle au niveau du circuit.
Question à laquelle elle répond: Comment la forme et le dopage de ce transistor changent-ils sa façon de commuter ?
Laisse de côté : Simplifie les effets quantiques qui comptent le plus aux plus petites tailles de transistors.
Tourne sur : environ 1014 FLOPS approximatif le cluster d’une entreprise de semi-conducteurs, quelques heures par composantDepuis : 1964 Le modèle numérique de Gummel pour un transistor bipolaire
Jumeaux numériques de réseaux
Une copie virtuelle d’un réseau de communication, maintenue en phase avec le vrai, pour tester des changements avant de les appliquer.
Question à laquelle elle répond: Que se passerait-il pour le réseau si ce changement était fait ?
Laisse de côté : La fidélité dépend de la télémétrie, et l’échelle est limitée.
Tourne sur : environ 1012 FLOPS approximatif Modèles au niveau des paquets ou apprisDepuis : 2021 Digital twin networks: a survey (2021) source
Simulation de la lithographie optique
La lumière qui traverse un masque pour atteindre un film photosensible, afin de prédire les motifs de circuits imprimés sur une puce, flou et chimie de la résine compris.
Question à laquelle elle répond: Le motif d’un masque s’imprimera-t-il comme prévu sur une puce ?
Laisse de côté : La chimie de la résine et les effets stochastiques des photons à de très petites tailles sont approchés.
Tourne sur : environ 1013 FLOPS approximatif une simulation de puce entière pour une couche.Depuis : 1975 Le modèle d’exposition de résine en lithographie optique de Dill. source
Simulation de procédés des semi-conducteurs
Les étapes de fabrication d’un transistor, implantation, diffusion et oxydation, suivies pour prédire les profils de dopage et les formes avant le modèle du composant.
Question à laquelle elle répond: Quel profil de dopant et quelle forme une recette de fabrication donnée produit-elle ?
Laisse de côté : Les modèles de défauts ponctuels et d’interfaces doivent être calibrés pour chaque nouveau procédé.
Tourne sur : environ 1012 FLOPS approximatif résolutions de diffusion et de réaction en deux ou trois dimensions.Depuis : 1979 Les modèles d’Antoniadis et Dutton pour la simulation informatique de procédés complets de fabrication de circuits intégrés. source
Modélisation thermique des processeurs
La chaleur qui traverse les couches d’une puce et de son boîtier, selon la puissance variable des blocs fonctionnels, pour repérer les points chauds et régler le bridage.
Question à laquelle elle répond: Où un processeur surchauffe-t-il quand sa charge de travail change ?
Laisse de côté : Le modèle utilise des estimations de puissance, et les détails de boîtier et de refroidissement sont regroupés.
Tourne sur : environ 108 FLOPS approximatif un réseau thermique compact qui tourne en quelques secondes.Depuis : 2003 Skadron et ses collègues, une microarchitecture sensible à la température avec un modèle thermique compact. source
Calcul de structure de bandes de cristaux photoniques
La lumière dans un arrangement périodique de diélectrique, résolue pour les fréquences qui peuvent ou non se propager, afin de concevoir des guides d’ondes et des filtres.
Question à laquelle elle répond: Quelles couleurs de lumière une structure périodique peut-elle bloquer ?
Laisse de côté : Une périodicité parfaite est supposée, si bien que le désordre, les pertes et la taille finie sont ajoutés séparément.
Tourne sur : environ 1010 FLOPS approximatif des résolutions aux valeurs propres en ondes planes pour chaque vecteur d’onde.Depuis : 1990 La démonstration par Ho, Chan et Soukoulis d’une bande interdite photonique dans des structures diélectriques périodiques. source
Modélisation thermique de puces empilées
La chaleur qui traverse des couches de silicium empilées verticalement et refroidies par un liquide entre elles, résolue assez vite pour déterminer la conception de l’empilement.
Question à laquelle elle répond: Un empilement de puces avec des canaux de liquide de refroidissement peut-il garder chaque couche sous sa limite ?
Laisse de côté : Les vraies puces ont des points chauds bien plus petits que les cellules du modèle, si bien que les températures de pointe peuvent être sous-estimées.
Tourne sur : environ 108 FLOPS approximatif des minutes sur une station de travail.Depuis : 2010 Le modèle thermique transitoire compact 3D-ICE de Sridhar et ses collègues pour les puces 3D à refroidissement liquide entre les étages. source
Simulation de robots
Des robots avec des capteurs et des moteurs simulés dans un moteur physique, entraînés ou testés avant de toucher le monde réel.
Question à laquelle elle répond: Un contrôleur appris en simulation fonctionnera-t-il sur le vrai robot ?
Laisse de côté : Le contact et le frottement dans le monde réel restent difficiles à reproduire exactement.
Tourne sur : environ 1013 FLOPS approximatif un ordinateur de bureau avec GPU, en temps réel ou plus viteDepuis : 1983 dès 1983, premiers simulateurs de programmation hors ligne qui planifient des bras de robots industriels
Essais de véhicules autonomes
Des logiciels de conduite autonome qui parcourent des millions de kilomètres virtuels dans des scénarios rares et dangereux.
Question à laquelle elle répond: Comment le système gère-t-il la situation qui n’arrive qu’une fois par million de kilomètres ?
Laisse de côté : Les scénarios réels rares restent difficiles à saisir, quel que soit le nombre de kilomètres virtuels parcourus.
Tourne sur : environ 1015 FLOPS approximatif une flotte de serveurs GPU dans le cloud, exécutés en parallèleDepuis : 2004 soutien par simulation aux premiers grands défis américains de véhicules autonomes
Robotique en essaim
De nombreux robots simples qui se coordonnent par des règles locales, souvent empruntées aux insectes.
Question à laquelle elle répond: Cent robots bon marché peuvent-ils faire ce qu’un seul robot coûteux ne peut pas ?
Laisse de côté : De simples robots simulés ne saisissent pas le vrai bruit des capteurs ni les limites des batteries.
Tourne sur : environ 1012 FLOPS approximatif un ordinateur portable, qui simule des dizaines, voire des centaines de robotsDepuis : 1989 Les premiers travaux de Gerardo Beni sur l’intelligence en essaim et la robotique cellulaire
Jumeaux numériques
Une simulation maintenue en permanence en phase avec une machine, une installation ou un bâtiment réels grâce à leurs données de capteurs en direct.
Question à laquelle elle répond: Qu’est-ce qui est sur le point de défaillir, et que se passe-t-il si nous changeons ce réglage ?
Laisse de côté : La précision est bornée par les données de capteurs fournies ; les lacunes et la dérive s’accumulent.
Tourne sur : environ 1013 FLOPS approximatif un serveur cloud qui met à jour en continu un modèle d’installation industrielleDepuis : 2002 Michael Grieves a proposé d’associer un produit à un modèle virtuel vivant
Mobilité des rovers planétaires
Les roues et le bras d’un rover qui interagissent avec un sol meuble et des roches sur un autre monde, avant même qu’il n’y roule.
Question à laquelle elle répond: Le rover s’enlisera-t-il, et son bras atteindra-t-il l’échantillon ?
Laisse de côté : Le sol extraterrestre n’est connu que de quelques sites d’atterrissage, si bien que son comportement est extrapolé.
Tourne sur : environ 1013 FLOPS approximatif le cluster d’une agence spatiale, quelques heures par cas de terrainDepuis : 1997 simulations roue-sol à l’appui du premier rover martien réussi
Commande d’exosquelettes et de prothèses
Une machine portable et un corps humain en mouvement ensemble, avec le système de commande réglé avant qu’une personne ne la porte.
Question à laquelle elle répond: L’appareil aidera-t-il le mouvement de la personne qui le porte, ou ira-t-il contre ?
Laisse de côté : Les corps simulés saisissent rarement exactement la blessure ou la démarche particulière d’une personne.
Tourne sur : environ 1013 FLOPS approximatif le poste de bureau d’un laboratoire de recherche, en temps réel par essaiDepuis : 1990 dès 1990, premières simulations de commande d’exosquelettes motorisés dans des laboratoires de recherche
Environnements d’apprentissage robotique parallèles sur GPU
Des milliers de robots simulés tournent à la fois sur un seul GPU pour qu’une politique d’apprentissage par renforcement s’entraîne en quelques minutes.
Question à laquelle elle répond: À quelle vitesse peut-on apprendre une politique de robot grâce à une simulation massivement parallèle ?
Laisse de côté : La physique des contacts est simplifiée, si bien que le transfert demande des précautions.
Tourne sur : environ 1015 FLOPS approximatif Des milliers d’environnements physiques parallèles sur GPUDepuis : 2021 Isaac Gym: high performance GPU-based physics simulation for robot learning (2021) source
Entraînement simulation vers réel à randomisation de domaine
Une politique est entraînée dans un simulateur dont l’apparence et la physique varient au hasard, pour qu’elle fonctionne dans le monde réel.
Question à laquelle elle répond: Une politique entraînée uniquement en simulation peut-elle fonctionner sur un vrai robot ?
Laisse de côté : Les plages de randomisation doivent couvrir l’écart réel, ce qui est difficile à connaître.
Tourne sur : environ 1014 FLOPS approximatif De grands entraînements aléatoiresDepuis : 2017 Domain randomization for transferring deep neural networks from simulation to the real world (2017) source
Simulation physique différentiable
Un moteur physique écrit pour que les gradients remontent à travers les contacts et le mouvement, ce qui permet de régler conceptions ou contrôleurs par descente de gradient.
Question à laquelle elle répond: Comment ce contrôleur ou cette conception doit-il changer pour améliorer son résultat ?
Laisse de côté : Les gradients à travers des contacts durs sont bruités ou trompeurs.
Tourne sur : environ 1012 FLOPS approximatif Passes en arrière à travers de nombreux pas de simulationDepuis : 2016 A differentiable physics engine for deep learning in robotics (2016) source
Génération adversariale de scénarios de conduite
Un optimiseur perturbe les trajectoires des autres usagers de la route dans des scènes enregistrées pour trouver des situations où un système de conduite autonome échoue.
Question à laquelle elle répond: Quelles situations réalistes font échouer un système d’autonomie ?
Laisse de côté : Un scénario qui fait échouer le système peut n’arriver presque jamais sur de vraies routes, et dit donc peu de chose sur la fréquence des échecs.
Tourne sur : environ 1013 FLOPS approximatif De nombreuses simulations en boucle ferméeDepuis : 2021 AdvSim: generating safety-critical scenarios for self-driving vehicles (2021) source
Simulateurs de conduite ouverts avec modèles de capteurs
Un monde de moteur de jeu avec circulation, météo, caméras et lidar simulés, pour développer et tester la conduite autonome.
Question à laquelle elle répond: Comment un système de conduite verrait-il et agirait-il dans des conditions variées ?
Laisse de côté : Le réalisme des capteurs et du trafic ne correspond pas exactement au monde réel.
Tourne sur : environ 1012 FLOPS approximatif Rendu en temps réel sur GPUDepuis : 2017 CARLA: an open urban driving simulator (2017) source
Locomotion à pattes apprise
Une politique d’apprentissage par renforcement est entraînée à marcher et à courir pour un robot à pattes dans un simulateur physique, puis transférée à la machine réelle.
Question à laquelle elle répond: Un robot peut-il apprendre à marcher en simulation et garder l’équilibre sur un vrai sol ?
Laisse de côté : Le contact des pieds, les retards moteurs et la souplesse du sol diffèrent du modèle, si bien qu’une politique qui marche en simulation peut échouer sur la machine.
Tourne sur : environ 1016 FLOPS approximatif de quelques heures à quelques jours de temps GPU par allure.Depuis : 2018 L’apprentissage sim-to-real de la locomotion agile de robots quadrupèdes de Tan et ses collègues. source
Locomotion humanoïde apprise
Un contrôleur neuronal est entraîné en simulation pour qu’un robot bipède de forme humaine marche sur de nombreux types de sol, en s’adaptant grâce à l’historique de ses propres capteurs.
Question à laquelle elle répond: Un humanoïde peut-il marcher dehors, dans des escaliers, sur de l’herbe et des pentes, avec une politique apprise sans aucun essai réel ?
Laisse de côté : Les chutes d’un humanoïde grandeur nature sont dangereuses et coûteuses, si bien que les essais sont prudents et que les limites de la politique ne sont pas cartographiées.
Tourne sur : environ 1017 FLOPS approximatif des jours sur un cluster de GPU.Depuis : 2023 La locomotion humanoïde en conditions réelles par apprentissage par renforcement, de Radosavovic et ses collègues. source
Simulation de vol de drone
De petits aéronefs à rotors, capteurs et caméras volent dans des scènes rendues, sous un vent et une physique simulés, pour développer l’autonomie et la tester sans danger.
Question à laquelle elle répond: Ce logiciel de vol gardera-t-il le drone stable et lui fera-t-il éviter les obstacles avant même qu’il quitte le sol ?
Laisse de côté : L’aérodynamique près du sol, dans les rafales et entre les obstacles est simplifiée, si bien que les cas limites n’apparaissent que sur un vrai drone.
Tourne sur : environ 1012 FLOPS approximatif en temps réel sur un GPU de classe jeu vidéo, ou des milliers d’exécutions en parallèle.Depuis : 2017 AirSim de Shah et ses collègues, simulation visuelle et physique pour véhicules aériens et terrestres. source
Course de drones par apprentissage
Une politique de contrôle est entraînée en simulation pour piloter un quadrirotor sur un parcours de course à la limite de sa vitesse, puis déployée sur l’appareil réel.
Question à laquelle elle répond: Un contrôleur appris peut-il voler plus vite qu’un pilote champion humain ?
Laisse de côté : Le parcours est connu et bien éclairé : on ne montre donc pas que la politique fonctionne dans des lieux inconnus ou en mauvaises conditions.
Tourne sur : environ 1016 FLOPS approximatif des jours d’entraînement sur GPU en simulation.Depuis : 2023 La course de drones de niveau champion par apprentissage par renforcement profond, de Kaufmann et ses collègues. source
Simulation de robots souples
Un robot en matériau caoutchouteux est modélisé comme un solide déformable par éléments finis, assez vite pour le commander en temps réel.
Question à laquelle elle répond: Comment faut-il modifier la pression d’air dans les chambres pour que le bras souple atteigne un point donné ?
Laisse de côté : Les propriétés du caoutchouc changent avec la température et l’âge, et la vitesse du modèle exige un maillage grossier.
Tourne sur : environ 109 FLOPS approximatif en temps réel sur une station de travail.Depuis : 2013 La commande de robots mous élastiques fondée sur une méthode d’éléments finis en temps réel de Duriez. source
Simulation de capteurs tactiles
Les images tactiles qu’un capteur de peau à caméra saisirait en appuyant sur des objets sont rendues en simulation, pour que les mains robotiques apprennent à sentir.
Question à laquelle elle répond: Un robot peut-il apprendre à manipuler des objets au toucher sans user de vrais capteurs ?
Laisse de côté : La déformation molle du gel est rendue de façon approximative, si bien que les écarts sim-to-real sont plus grands pour les textures fines.
Tourne sur : environ 1010 FLOPS approximatif en temps réel sur un GPU de classe jeu vidéo.Depuis : 2020 TACTO de Wang et ses collègues, un simulateur libre et rapide de capteurs tactiles à vision. source
Trajectoires de vaisseaux spatiaux
Des trajectoires à travers la gravité du Soleil, des planètes et des lunes, avec assistances gravitationnelles.
Question à laquelle elle répond: Quel est le chemin le moins coûteux vers cette lune, et quand lançons-nous ?
Laisse de côté : Suppose une gravité connue et aucune perturbation ; la vraie navigation exige encore des corrections de trajectoire.
Tourne sur : environ 1012 FLOPS approximatif un ordinateur portable, quelques secondes par trajectoire candidateDepuis : 1959 premiers calculs de trajectoire pour les premières missions lunaires
Entrée atmosphérique
Un vaisseau qui frappe l’atmosphère à plusieurs kilomètres par seconde, avec l’onde de choc et la chaleur autour de lui.
Question à laquelle elle répond: Le bouclier thermique survivra-t-il ?
Laisse de côté : La chimie rare des écoulements à vitesse extrême reste une source active d’incertitude.
Tourne sur : environ 1015 FLOPS approximatif un cluster de calcul haute performance national ou universitaire, quelques heures par casDepuis : 1958 dès 1958, premiers calculs de l’échauffement à la rentrée des missiles balistiques
Batteries et piles à combustible
Des ions et des électrons qui traversent les électrodes et l’électrolyte pendant qu’une cellule se charge et vieillit.
Question à laquelle elle répond: Comment recharger plus vite sans accélérer la dégradation de la batterie ?
Laisse de côté : Le vieillissement sur des milliers de cycles reste extrapolé, pas entièrement simulé.
Tourne sur : environ 1014 FLOPS approximatif un cluster universitaire, quelques heures par conception de celluleDepuis : 1993 Le modèle de batterie à électrode poreuse de Doyle, Fuller et Newman
Simulation de moteurs-fusées
Le gaz de combustion chaud qui se détend dans la tuyère d’un moteur-fusée, et la chaleur qu’il décharge dans les parois, qui doivent y survivre.
Question à laquelle elle répond: Quelle poussée ce moteur produit-il, et la tuyère et les parois résisteront-elles à la chaleur ?
Laisse de côté : L’instabilité de combustion, où la flamme elle-même se met à osciller, reste difficile à prédire.
Tourne sur : environ 1016 FLOPS approximatif une part du supercalculateur d’une agence ou d’une entreprise spatiale, quelques heures par casDepuis : 1968 dès 1968, premiers modèles numériques de chambres de combustion de fusées
Simulation thermique et énergétique de vaisseaux spatiaux
La chaleur et la puissance électrique qui circulent dans un satellite quand la lumière du soleil, l’ombre et l’équipement de bord changent.
Question à laquelle elle répond: Chaque partie du vaisseau restera-t-elle dans les limites sûres de température et de puissance ?
Laisse de côté : Suppose que les surfaces vieillissent et se dégradent comme prévu, ce que des années en orbite ne confirment pas toujours.
Tourne sur : environ 1012 FLOPS approximatif le poste de bureau d’un ingénieur satellite, quelques minutes par cas d’orbiteDepuis : 1965 dès 1965, premiers modèles de bilan thermique de satellites en orbite
Simulation du rendement des parcs solaires et éoliens
L’ensoleillement ou le vent sur une année sont confrontés aux panneaux ou aux turbines d’un parc pour prédire l’énergie qu’il produira.
Question à laquelle elle répond: Combien d’électricité cette ferme produira-t-elle réellement, et vaut-elle la peine d’être construite ?
Laisse de côté : Une seule année météo inhabituelle peut tout de même s’écarter nettement de la moyenne de long terme.
Tourne sur : environ 1012 FLOPS approximatif le poste de bureau d’un promoteur, quelques minutes par siteDepuis : 1981 dès 1981, première évaluation informatique de la ressource éolienne pour le choix de sites de parcs éoliens
Risque de collision des méga-constellations
Des dizaines de milliers de satellites en orbites basses partagées sont suivis face aux débris existants pour estimer les rapprochements, les manœuvres d’évitement et l’effet des pannes.
Question à laquelle elle répond: Combien de collisions une méga-constellation ajouterait-elle, et à quelle vitesse doit-elle retirer les satellites en panne ?
Laisse de côté : Les futurs taux de lancement, taux de défaillance et comportements des opérateurs sont des hypothèses, et les petits fragments non suivis sont mal connus.
Tourne sur : environ 1014 FLOPS approximatif des jours sur un cluster pour des décennies d’évolution orbitale.Depuis : 2017 L’étude de Radtke et ses collègues sur l’interaction des méga-constellations avec l’environnement de débris spatiaux. source
Probabilité de collision lors d’une conjonction
Les orbites prédites de deux objets, avec leurs incertitudes, servent à calculer la probabilité qu’ils se heurtent en se croisant de près.
Question à laquelle elle répond: Vaut-il la peine d’allumer les propulseurs pour éviter ce passage rapproché ?
Laisse de côté : Les incertitudes d’orbite sont souvent sous-estimées, et une probabilité unique dépend fortement de la forme supposée de l’erreur.
Tourne sur : environ 106 FLOPS approximatif des secondes par conjonction, sur des milliers d’objets.Depuis : 1999 L’analyse des erreurs de probabilité de collision par Alfriend et ses collègues. source
Coulée et solidification des métaux
Du métal en fusion qui remplit un moule et se fige, suivi pour voir où il remplit mal ou se rétracte en défaut.
Question à laquelle elle répond: Cette pièce coulée se remplira-t-elle correctement, et où se formeront les défauts ?
Laisse de côté : Les conditions réelles du four et du moule varient plus qu’une seule coulée simulée.
Tourne sur : environ 1014 FLOPS approximatif le cluster d’un bureau d’ingénierie, quelques heures par casDepuis : 1985 dès 1985, premières simulations informatiques de ce procédé de fabrication
Simulation de soudage
Du métal qui fond, se mélange et refroidit dans la zone étroite autour d’une soudure, avec les contraintes qui déforment la pièce finie.
Question à laquelle elle répond: La soudure tiendra-t-elle, et de combien la pièce se déformera-t-elle ensuite ?
Laisse de côté : Suppose des conditions de soudage propres et stables, que le soudage manuel n’offre pas toujours.
Tourne sur : environ 1014 FLOPS approximatif le cluster d’un bureau d’ingénierie, quelques heures par casDepuis : 1975 dès 1975, premières simulations informatiques de ce procédé de fabrication
Simulation de la fabrication additive
Une pièce construite couche par couche par une source de chaleur mobile, avec suivi de l’échauffement, de la fusion et des contraintes résiduelles qui en résultent.
Question à laquelle elle répond: La pièce finie va-t-elle gauchir ou se fissurer, et comment l’orienter sur le plateau de fabrication ?
Laisse de côté : Les simulations de pièce entière à la vraie résolution restent trop lentes pour la plupart des calendriers de production.
Tourne sur : environ 1014 FLOPS approximatif le cluster d’un bureau d’ingénierie, quelques heures par casDepuis : 1995 dès 1995, premières simulations informatiques de ce procédé de fabrication
Formage et emboutissage des métaux
De la tôle ou une billette chaude pressée, emboutie ou forgée jusqu’à sa forme finale.
Question à laquelle elle répond: Le métal se fissurera-t-il ou se plissera-t-il avant d’atteindre sa forme finale ?
Laisse de côté : Suppose une feuille de départ uniforme ; les vrais lots de matériau varient davantage.
Tourne sur : environ 1014 FLOPS approximatif le cluster d’un bureau d’ingénierie, quelques heures par casDepuis : 1980 dès 1980, premières simulations informatiques de ce procédé de fabrication
Simulation d’usinage
Un outil de coupe qui enlève du métal sous forme de copeaux, avec les efforts, la chaleur et l’usure que cela produit.
Question à laquelle elle répond: À quelle vitesse peut-on couper sans casser l’outil ni abîmer l’état de surface ?
Laisse de côté : L’usure des outils sur de nombreuses pièces est encore surtout estimée à partir de l’expérience passée, pas des premiers principes.
Tourne sur : environ 1013 FLOPS approximatif le cluster d’un bureau d’ingénierie, quelques heures par casDepuis : 1982 dès 1982, premières simulations informatiques de ce procédé de fabrication
Simulation du moulage par injection
Du plastique fondu qui remplit les cavités d’un moule et refroidit jusqu’à sa forme finale.
Question à laquelle elle répond: Le moule se remplira-t-il uniformément, et où gauchira-t-il ou montrera-t-il des défauts ?
Laisse de côté : Les vrais lots de plastique varient dans leur façon exacte de s’écouler, plus que ne le suppose la donnée matériau standard.
Tourne sur : environ 1013 FLOPS approximatif le cluster d’un bureau d’ingénierie, quelques heures par casDepuis : 1976 dès 1976, premières simulations informatiques de ce procédé de fabrication