工学と技術
翼の上の空気の流れ、荷重を受ける構造物、製造前のチップ、造る前のロボット。
今日では、事前にシミュレートしないまま作られるものはほとんどありません。過去50年で、シミュレーションはほとんどの物理的な試作品に取って代わりました。最も古い形である物理的な縮尺模型も、今なお使われています。
空気力学
翼、自動車、建物、風力タービンの上を流れる空気。
答える問い: 抗力はどれくらいで、揚力はどれくらいで、流れはどこで剥がれるでしょうか。
含まれないもの： 乱流は解像されずモデル化されるので、細かい分離の詳細は近似です。
動かすのに必要： 約1015 FLOPS 概算 大学または企業のHPCクラスター、1ケースにつき数日最初の年： 1962 航空機の形状に対する、ヘスとスミスのパネル法
乱流
乱流の渦を、最大の渦から最小の渦まで、すべて直接解像します。
答える問い: 乱流は実際に何をしているのでしょうか。それがわかれば、計算の軽いモデルで近似できます。
含まれないもの： レイノルズ数が中程度のものに限られ、実際の流れは最大のマシンでも追いつきません。
動かすのに必要： 約1017 FLOPS 概算 国のスーパーコンピューター、大きな割合を数週間最初の年： 1972 Orszag と Patterson による、最初の三次元直接数値シミュレーション
物理的な縮尺模型
風洞、造波水槽、河川模型、振動台です。もっとも古いシミュレーションで、今も数値計算を検証するのに使われています。
答える問い: 実際の流れは、コンピューターが予測したものと一致するでしょうか。
含まれないもの： スケール効果のため、小さなモデルが実物大のものと同じに振る舞うとは限りません。
動かすのに必要： コンピューターは不要。デジタルの計算は使わず、代わりに実際の空気、水、振動台を使います。最初の年： 1871 Frank Wenham が、最初期の風洞のひとつを作った
キャビテーションのシミュレーション
高速で動く液体のなかで、船のプロペラ、ポンプ、バルブのまわりに、気泡が生まれ、激しく崩壊します。
答える問い: どこでキャビテーションがこのプロペラやポンプを侵食するでしょうか。また、それを避けるにはどう設計すればよいでしょうか。
含まれないもの： 気泡の崩壊は、ほとんどのシミュレーションがあらゆる場所で解像できるよりも細かいスケールで起こります。
動かすのに必要： 約1015 FLOPS 概算 大学または造船所のクラスター、1ケースにつき数時間最初の年： 1988 1988年までに、プロペラまわりのキャビテーション流れの初期の計算モデル
多相流とパイプライン流
油、ガス、水、スラリーが、パイプライン、井戸、プロセスプラントの中を一緒に移動します。
答える問い: パイプラインは滑らかに流れるでしょうか、それとも液体とガスのスラグが詰まらせるでしょうか。
含まれないもの： 突然のスラグの発生は、確実に予測するのが今でも難しいことの1つです。
動かすのに必要： 約1014 FLOPS 概算 エネルギー会社のクラスター、パイプラインのケース1つにつき数時間最初の年： 1979 1979年までに、海洋の石油・ガスパイプラインの初期の多相流モデル
着氷のシミュレーション
過冷却された水滴が、飛行中の航空機の翼や、風を受ける風力タービンのブレードに凍りつく現象です。
答える問い: 氷はどれくらい付着し、除氷は追いつけるでしょうか。
含まれないもの： 実際の雲粒の大きさと混合相の氷は、標準的な試験条件が仮定するよりも大きく変わります。
動かすのに必要： 約1014 FLOPS 概算 航空宇宙研究所のクラスター、着氷のケース1つにつき数時間最初の年： 1988 1988年までに、初期の計算による着氷コードが、航空機の認証を支える
物理情報ニューラルネットワーク
ニューラルネットワークの出力が、支配方程式と観測データの両方を同時に満たすように訓練します。
答える問い: ネットワークは、メッシュがほとんど、あるいはまったくなくても、偏微分方程式の解を学習できるでしょうか。
含まれないもの： 学習は、硬い問題や乱流の問題では遅く、不安定です。
動かすのに必要： 約1013 FLOPS 概算 自動微分を使った勾配ベースの学習最初の年： 2017 Physics informed deep learning, part I (2017) 出典
ニューラル作用素
境界条件のような関数から偏微分方程式の解への対応をネットワークが学習し、新しい入力に1回の処理で答えます。
答える問い: 訓練済みのモデルは、偏微分方程式のファミリー全体を一瞬で解けるでしょうか。
含まれないもの： 学習のために多くのソルバー計算が必要で、外挿は苦手です。
動かすのに必要： 約1015 FLOPS 概算 高価なデータ生成のあと、高速な推論最初の年： 2019 DeepONet: learning nonlinear operators (2019), followed by Fourier neural operators (2020) 出典
グラフネットワーク型の学習シミュレーター
シミュレーションのデータで訓練したグラフニューラルネットワークが、粒子やメッシュのノードを1ステップずつ進め、流体、布、固体の動きをまねます。
答える問い: ニューラルネットは、流体や変形する物体の物理ソルバーの代わりになれるでしょうか。
含まれないもの： 長い展開では誤差が積み重なり、保存則は保証されません。
動かすのに必要： 約1014 FLOPS 概算 ソルバーのデータで学習し、ロールアウトはより高速です最初の年： 2020 Learning to simulate complex physics with graph networks (2020) 出典
学習型の流体ソルバー
畳み込みネットワークが、格子流体ソルバーの圧力射影の段階を置き換え、煙や液体のシミュレーションを速くします。
答える問い: 訓練済みのネットワークは、非圧縮性の流れのソルバーを大幅に速くできるでしょうか。
含まれないもの： 安定性と精度は、学習したものと似た流れでしか試されていません。
動かすのに必要： 約1012 FLOPS 概算 ソルバーのデータで学習し、推論は高速です最初の年： 2016 Accelerating Eulerian fluid simulation with convolutional networks (2016) 出典
流体の流れのための格子気体オートマトン
格子上を跳ぶ粒子に単純な衝突規則を与えると、流体力学の方程式を組み込まなくても、大きなスケールでの液体や気体の流れが再現されます。
答える問い: 流体の流れは、格子上の単純な粒子のルールから現れうるでしょうか。
含まれないもの： 離散的な粒子によるノイズとガリレイ不変性の欠如が精度を制限し、そのために置き換えられました。
動かすのに必要： 約1011 FLOPS 概算 何百万もの格子点上のビット単位のルール。最初の年： 1986 Frisch、Hasslacher、Pomeau による、ナビエ・ストークス方程式のための格子ガス・オートマトン。 出典
格子ボルツマン法による流れのシミュレーション
流体を格子上の粒子速度の分布で表し、それが流れて衝突することで、多孔質の岩石や血管のような複雑な形状での流れを与えます。
答える問い: 流体は、きわめて複雑な形状の中をどう流れるでしょうか。
含まれないもの： この方法は低マッハ数に限られ、境界の扱いには注意が必要です。
動かすのに必要： 約1015 FLOPS 概算 グラフィックスまたはクラスターのハードウェアで、数十億個の格子セル。最初の年： 1988 McNamara と Zanetti による、ボルツマン方程式を使った格子気体オートマトンのシミュレーション。 出典
希薄気体の直接シミュレーション
希薄な気体の分子をランダムに動かし衝突させます。気体が連続した流体とみなせないほど薄い、宇宙の縁や微小な流路の中などで使います。
答える問い: 大気の端にある乗り物のまわりを、薄い気体はどう流れるでしょうか。
含まれないもの： シミュレートする各粒子が数兆個の実際の粒子を代表するので、低速では統計的なノイズが大きくなります。
動かすのに必要： 約1014 FLOPS 概算 数十億個のシミュレートした粒子。最初の年： 1963 Bird による、剛体球気体における並進平衡への接近の直接シミュレーション。 出典
風力発電所のラージ・エディ・シミュレーション
風力発電所を抜ける乱れた空気に、各ローターからの力を加えて、後流がどう影響し合い、風下のタービンの出力を落とすかを調べます。
答える問い: 風力発電所は、自らの後流のせいで、どれくらいの電力を失うでしょうか。
含まれないもの： タービンのブレードは力の円盤に置き換えられ、地形と大気の安定度で結果が変わります。
動かすのに必要： 約1016 FLOPS 概算 数十基のタービンを含む数キロメートル規模の領域での、ラージ・エディ計算。最初の年： 2010 Calaf、Meneveau、Meyers による、十分に発達した風力タービン列の境界層のラージ・エディ・シミュレーション。 出典
流体と構造の相互作用
動く流体と変形する物体をいっしょに解くので、翼、橋、弁のはばたき、振動、フラッターを予測できます。
答える問い: 柔らかい構造物は、まわりの流れの中でどう動くでしょうか。
含まれないもの： メッシュの動きと強い付加質量効果のせいで、連成は計算が重く、ときに不安定になります。
動かすのに必要： 約1015 FLOPS 概算 連成した流体と固体のソルバーを、1ステップごとに反復。最初の年： 1974 Hirt、Amsden、Cook による、あらゆる速度の流れに使える任意ラグランジュ・オイラー法。 出典
火災力学のラージ・エディ・シミュレーション
部屋、トンネル、建物の中で起きた火災の高温ガスと煙を、単純な燃焼を伴う浮力のある乱流として解き、熱と煙がどう広がるかを調べます。
答える問い: この廊下は煙でどれくらいの速さで満たされ、いつ人は出口が見えなくなるでしょうか。
含まれないもの： 燃焼の化学とすすは単純化されており、実際の燃料、窓、家具は、おおまかにしか記述されていません。
動かすのに必要： 約1013 FLOPS 概算 大規模な建物火災に、クラスターで数日。最初の年： 2000 アメリカ国立標準技術研究所の McGrattan らによる Fire Dynamics Simulator のユーザーマニュアル。 出典
構造解析
荷重、熱、振動を受ける橋、建物、航空機、部品。
答える問い: 弱点はどこにあり、余裕はどれだけ残っているでしょうか。
含まれないもの： 理想化された材料と荷重を仮定しています。実際の欠陥は、物理ではなく余裕（マージン）で扱われます。
動かすのに必要： 約1014 FLOPS 概算 エンジニアリング用ワークステーションまたは小規模なクラスター、1ケースにつき数時間最初の年： 1956 Turner、Clough、Martin、Topp による航空機の構造解析法
衝突シミュレーション
衝突で変形する乗り物と、その中にいる仮想の乗員です。
答える問い: 中にいる人たちを、どう守ればよいでしょうか。
含まれないもの： 乗員の傷害は、実際の人間の組織のばらつきではなく、ダミーのモデルから推定されます。
動かすのに必要： 約1015 FLOPS 概算 自動車メーカーのHPCクラスター、衝突のケース1つにつき数時間最初の年： 1979 1979年までに、国立研究所の陽的有限要素コードが、車両の衝突をモデル化する
多体動力学
ヒンジ、バネ、歯車でつながれた剛体としての機械。サスペンション、エンジン、ロボットアームなど。
答える問い: その機構は設計どおりに動くでしょうか。また、荷重はどこへ逃げるでしょうか。
含まれないもの： 部品は剛体か、わずかに柔軟なものとして扱われるため、細かい振動モードは見えません。
動かすのに必要： 約1013 FLOPS 概算 エンジニアリング用デスクトップ、数分から数時間最初の年： 1971 Sheth と Uicker による、機構解析のためのコンピューター手法
音響と振動
部屋、エンジン、都市の中の音波と、構造物の振動です。
答える問い: このホールは良い音響になるでしょうか。また、この橋は耳に聞こえるほど共振するでしょうか。
含まれないもの： 波の効果が光線より支配的になる低周波では、うまくいきません。
動かすのに必要： 約1014 FLOPS 概算 ワークステーションまたは小規模なクラスター、1ケースにつき数時間最初の年： 1968 Krokstad らは、レイトレーシングで室内音響をモデル化した
疲労と亀裂の成長
何百万回もの小さな荷重サイクルによる構造物のゆるやかな損傷を、成長して最後には破壊する亀裂として追います。
答える問い: この部品は、交換が必要になるまで何年、あるいは何飛行時間かかるでしょうか。
含まれないもの： 製造時の実際の欠陥は、仮定された理想化された初期のひびより、多様です。
動かすのに必要： 約1014 FLOPS 概算 エンジニアリング用ワークステーションまたは小規模なクラスター、部品1つにつき数時間最初の年： 1968 1968年までに、初期の破壊力学による疲労寿命のコンピューター・コード
トライボロジーと接触力学
軸受、歯車、継ぎ手で動く表面のあいだの、摩擦、摩耗、潤滑。
答える問い: この軸受はどれくらいもち、摩擦でどれだけのエネルギーが無駄になるでしょうか。
含まれないもの： 微視的なスケールの表面粗さは、部品ごとに測定されたものではなく、近似されています。
動かすのに必要： 約1013 FLOPS 概算 エンジニアリング用デスクトップ、接触のケース1つにつき数時間最初の年： 1970 1970年までに、初期の弾性流体潤滑のコンピューター・モデル
トポロジー最適化
荷重のかかる設計空間に材料を足したり除いたりして、最も軽く剛性のある形が現れるまで続けます。技術者が描かなかった穴や支えも現れます。
答える問い: この荷重を支えられる、いちばん軽い形は何でしょうか。
含まれないもの： 最適な形は製造しにくいことが多く、考慮されなかった荷重には弱いかもしれません。
動かすのに必要： 約1013 FLOPS 概算 数百万の変数をもつ最適化ループのなかでの有限要素法の解法。最初の年： 1988 Bendsoe と Kikuchi による、均質化法を使った構造設計の最適トポロジーの生成。 出典
ペリダイナミクスによる破壊のモデリング
固体を、離れた点どうしが作用しあう点の集まりとして表します。亀裂は、あらかじめ経路を決めなくても、始まり、枝分かれし、合流します。
答える問い: ひびは、もろい材料の中でどうやって進む道を選ぶのでしょうか。
含まれないもの： 相互作用の範囲と破壊則は、素材に合わせて較正しなければなりません。
動かすのに必要： 約1014 FLOPS 概算 数百万のノードを持つメッシュなしの計算。最初の年： 2000 Silling による、不連続と長距離の力のための弾性理論の再定式化。 出典
軌道デブリと衛星衝突のモデリング
衛星、破片、ロケットの本体を、数十年にわたる衝突と崩壊を通して追い、それらが自己増殖して、有用な軌道をふさいでしまうかどうかを調べます。
答える問い: 何回衝突すると、デブリでその軌道は使えなくなるでしょうか。
含まれないもの： 追跡されていない小さな破片、今後の打ち上げ、対策の実施状況は不確かです。
動かすのに必要： 約1011 FLOPS 概算 多くの軌道の集団にわたる長いモンテカルロ計算。最初の年： 1978 Kessler と Cour-Palais による、人工衛星の衝突頻度とデブリベルトの形成。 出典
連結したモデルの共同シミュレーション
モーター、ギアボックス、制御器、電池を、それぞれ別のツールで作った独立のシミュレーションとして、取り決めた時間刻みでデータをやりとりしながら、一緒に動かします。
答える問い: 別々のチームが作ったすべてのサブシステムのモデルを同時に動かしたとき、機械全体は動くでしょうか。
含まれないもの： 決まったステップでデータを交換すると数値誤差が加わり、硬い結合は不安定になりえます。
動かすのに必要： 約1010 FLOPS 概算 1車両サイクルあたりワークステーションで数時間。最初の年： 2011 Blochwitz らによる、シミュレーションモデルをツールに依存せず交換するための Functional Mock-up Interface。 出典
回路シミュレーション
電子回路のすべての電圧と電流を、トランジスタ1つずつ。
答える問い: 回路は動くでしょうか。また、どれだけ電力を消費するでしょうか。
含まれないもの： 部品のモデルは当てはめた近似です。本物のシリコンはチップごとにばらつきます。
動かすのに必要： 約1013 FLOPS 概算 エンジニアリング用デスクトップ、チップのブロック1つにつき数分最初の年： 1973 Nagel と Pederson による SPICE、バークレーでの汎用の回路シミュレーションプログラム
チップのロジック・シミュレーション
製造する前に、デジタルのチップ設計を1クロックサイクルずつ動かします。
答える問い: 製造にコストがかかる前に、チップは正しい結果を計算するでしょうか。
含まれないもの： タイミングは近似なので、動作するシミュレーションでも、製造してみると失敗することがあります。
動かすのに必要： 約1014 FLOPS 概算 設計用ワークステーションまたは小規模なサーバークラスター、1回の実行に数時間最初の年： 1965 1965年までに、初期のゲートレベル・シミュレーターがデジタル論理の設計を検査する
電磁気学
アンテナ、回路、光学装置のまわりの電波、光、場。
答える問い: このアンテナはどれくらいよく電波を放射し、この装置は干渉を漏らしていないでしょうか。
含まれないもの： メッシュの限界に近い細かい幾何学的な細部は、なめらかにならされてしまいます。
動かすのに必要： 約1014 FLOPS 概算 ワークステーションまたはクラスター、設計1つにつき数時間最初の年： 1966 ケイン・イーの時間領域差分法
コンピューターネットワークのシミュレーション
ルーター、リンク、プロトコルを流れるパケット。
答える問い: ネットワークは、2倍の通信量を支えられるでしょうか。
含まれないもの： 実際の本番ネットワークで見られるハードウェアの癖やトラフィックのパターンを単純化しています。
動かすのに必要： 約1013 FLOPS 概算 デスクトップまたは小規模なサーバー、数分から数時間最初の年： 1964 レナード・クラインロックの、パケットネットワークの待ち行列分析
エミュレーションと仮想マシン
一つの機械が別の機械を、命令一つひとつまで正確にまねることで、そのソフトウェアが変更なしに動きます。
答える問い: この古い、あるいは将来のシステムを、手持ちのハードウェアで動かせるでしょうか。
含まれないもの： 入念に最適化しない限り、実際のハードウェアより遅く動きます。
動かすのに必要： 約1012 FLOPS 概算 デスクトップコンピューター、リアルタイムまたはそれ以上の速さ最初の年： 1963 1963年までに、初期の命令セットシミュレーターが、コンピューターの設計をできあがる前にテストする
半導体デバイスのシミュレーション
回路レベルのモデルにする前の、1個のトランジスタの内部にある電子とドーパント原子。
答える問い: このトランジスタの形とドーピングは、スイッチングをどう変えるでしょうか。
含まれないもの： 最も小さなトランジスタで最も重要になる量子効果を単純化しています。
動かすのに必要： 約1014 FLOPS 概算 半導体メーカーのクラスター、デバイス1つにつき数時間最初の年： 1964 グメルによるバイポーラトランジスタの数値モデル
ネットワークのデジタルツイン
実際の通信ネットワークと同期させた仮想のコピー。変更を適用する前に試すのに使います。
答える問い: この変更を加えたら、ネットワークに何が起こるでしょうか。
含まれないもの： 忠実度はテレメトリに左右され、規模には限りがあります。
動かすのに必要： 約1012 FLOPS 概算 パケット単位のモデルまたは学習したモデル最初の年： 2021 Digital twin networks: a survey (2021) 出典
光リソグラフィのシミュレーション
マスクを通ってフォトレジストの膜に当たる光から、チップに焼き付けられる回路パターンを、ぼけとレジストの化学も含めて予測します。
答える問い: マスクのパターンは、チップ上に意図どおりに印刷されるでしょうか。
含まれないもの： レジスト化学や微小なサイズでの確率的な光子効果は、近似されています。
動かすのに必要： 約1013 FLOPS 概算 1層ぶんのチップ全体のシミュレーション。最初の年： 1975 Dill による、レジストの光リソグラフィー露光モデル。 出典
半導体プロセスのシミュレーション
トランジスタの製造工程であるイオン注入、拡散、酸化を追い、デバイスモデルに入る前のドーピング分布と形状を予測します。
答える問い: ある製造手順は、どんなドーパントの分布と形状を生むでしょうか。
含まれないもの： 点欠陥と界面のモデルは、新しいプロセスごとに較正が必要です。
動かすのに必要： 約1012 FLOPS 概算 2次元または3次元の拡散・反応の解法です。最初の年： 1979 Antoniadis と Dutton による、ICの製造工程全体をコンピューターでシミュレートするモデル。 出典
プロセッサの熱モデリング
チップとパッケージの層を流れる熱を、機能ブロックの電力の変化に合わせて計算し、ホットスポットを見つけたり、スロットリングを設定したりします。
答える問い: 処理の負荷が変わると、プロセッサーのどこが過熱するでしょうか。
含まれないもの： このモデルは電力の見積もりを使っており、パッケージと冷却の細部はひとまとめにされています。
動かすのに必要： 約108 FLOPS 概算 数秒で動く、コンパクトな熱ネットワーク。最初の年： 2003 Skadron らによる、コンパクトな熱モデルを使った温度を考慮するマイクロアーキテクチャ。 出典
フォトニック結晶のバンド構造の計算
誘電体の周期的な配置の中の光を、伝わる周波数と伝わらない周波数について解き、導波路やフィルターを設計します。
答える問い: 周期構造は、どの色の光を遮れるでしょうか。
含まれないもの： 完全な周期性を仮定しているので、乱れ、損失、有限の大きさは別に加えます。
動かすのに必要： 約1010 FLOPS 概算 波数ベクトルごとの平面波の固有値計算。最初の年： 1990 Ho、Chan、Soukoulis による、周期的な誘電体構造でのフォトニックギャップの実証。 出典
積層チップの熱モデリング
縦に積み重ねたシリコン層の中を熱が移動し、層の間を流れる液体で冷やされます。積層の設計を決められるほど速く解けます。
答える問い: 冷却液の流路をもつ積層チップは、すべての層を限界以下に保てるでしょうか。
含まれないもの： 実際のチップにはモデルのセルよりずっと小さなホットスポットがあるため、ピーク温度は過小評価されることがあります。
動かすのに必要： 約108 FLOPS 概算 ワークステーションで数分。最初の年： 2010 Sridhar らによる、層間液冷を備えた3Dチップのための、コンパクトな過渡熱モデル 3D-ICE です。 出典
ロボットのシミュレーション
シミュレートされたセンサーとモーターを持つロボットを物理エンジンの中に置き、現実の世界に触れる前に訓練したりテストしたりします。
答える問い: シミュレーションで学習したコントローラーは、実際のロボットでも動くでしょうか。
含まれないもの： 現実の接触と摩擦は、今も正確には合わせにくいです。
動かすのに必要： 約1013 FLOPS 概算 GPUを備えたデスクトップ、リアルタイムまたはそれ以上の速さ最初の年： 1983 1983年までに、初期のオフライン・プログラミング・シミュレーターが、産業用ロボットアームを計画する
自動運転車のテスト
自動運転ソフトウェアが、まれで危険なシナリオの中を、何百万キロもの仮想走行で運転します。
答える問い: システムは、100万キロに一度しか起こらない状況をどう扱うでしょうか。
含まれないもの： まれな実世界のシナリオは、仮想の走行距離をどれだけ重ねても、捉えにくいままです。
動かすのに必要： 約1015 FLOPS 概算 クラウドGPUサーバー群、並列で実行最初の年： 2004 アメリカの初期の自動運転車グランドチャレンジのためのシミュレーション支援
群ロボット工学
局所的な規則で協調する多数の単純なロボット。規則はしばしば昆虫から借りています。
答える問い: 安価なロボット100台なら、高価なロボット1台にできないことをやれるでしょうか。
含まれないもの： 単純なシミュレートされたロボットは、実際のセンサーのノイズや電池の限界を捉えません。
動かすのに必要： 約1012 FLOPS 概算 ノートパソコンで、数十から数百台のロボットをシミュレート最初の年： 1989 Gerardo Beni による、群知能とセル型ロボティクスの初期の研究
デジタルツイン
実際の機械、工場、建物のライブのセンサーデータを使い、常に同期させ続けるシミュレーション。
答える問い: 何が壊れようとしていて、この設定を変えると何が起きるでしょうか。
含まれないもの： 精度は、与えられるセンサーのデータに制約されます。欠損とドリフトが積み重なります。
動かすのに必要： 約1013 FLOPS 概算 植物モデルを絶えず更新するクラウドサーバー最初の年： 2002 マイケル・グリーブスは、製品を生きた仮想モデルと対にすることを提案した
惑星探査車の走行性能
探査車の車輪とアームが、ほかの天体のゆるい土や岩とどう作用するかを、実際に走る前に調べます。
答える問い: 探査車は動けなくなるでしょうか。また、アームは試料に届くでしょうか。
含まれないもの： 地球外の土壌は少数の着陸地点からしか知られていないため、その挙動は外挿です。
動かすのに必要： 約1013 FLOPS 概算 宇宙機関のクラスター、地形のケース1つにつき数時間最初の年： 1997 初の火星探査車の成功を支えた、車輪と土のシミュレーション
外骨格と義肢の制御
装着型の機械と人間の身体がいっしょに動きます。制御システムは、人が着る前に調整されます。
答える問い: その装置は、装着者の動きを助けるでしょうか、それとも妨げるでしょうか。
含まれないもの： シミュレートされた体は、ある一人の特定の損傷や歩き方を正確には捉えられません。
動かすのに必要： 約1013 FLOPS 概算 研究室のデスクトップ、1試行につきリアルタイム最初の年： 1990 1990年までに、研究所での初期の動力付き外骨格の制御シミュレーション
GPU並列のロボット学習環境
強化学習のポリシーを数分で訓練できるよう、シミュレートされた数千台のロボットを、1つのGPUで同時に動かします。
答える問い: 大規模な並列シミュレーションを使うと、ロボットの方策はどれくらい速く学習できるでしょうか。
含まれないもの： 接触の物理は単純化されているため、実機への移行には注意が必要です。
動かすのに必要： 約1015 FLOPS 概算 GPU上の数千の並列物理環境最初の年： 2021 Isaac Gym: high performance GPU-based physics simulation for robot learning (2021) 出典
ドメインランダム化によるシミュレーションから現実への訓練
見た目と物理をランダムに変えるシミュレーターでポリシーを訓練し、現実世界でも機能するようにします。
答える問い: シミュレーションだけで訓練したポリシーは、本物のロボットで機能するでしょうか。
含まれないもの： ランダム化の範囲は現実とのギャップを覆う必要がありますが、それを知るのは困難です。
動かすのに必要： 約1014 FLOPS 概算 大規模なランダム化学習最初の年： 2017 Domain randomization for transferring deep neural networks from simulation to the real world (2017) 出典
微分可能な物理シミュレーション
接触や運動を通して勾配が逆向きに流れるように書いた物理エンジン。設計や制御器を勾配降下法で調整できます。
答える問い: この制御器や設計は、結果をよくするために、どう変えるべきでしょうか。
含まれないもの： 硬い接触を通すと、勾配はノイズが多く、誤解を招くことがあります。
動かすのに必要： 約1012 FLOPS 概算 多数のシミュレーション・ステップを逆向きにたどる計算最初の年： 2016 A differentiable physics engine for deep learning in robotics (2016) 出典
敵対的な運転シナリオの生成
最適化器が、記録された場面の中のほかの道路利用者の経路をわずかに変え、自動運転システムが失敗する状況を探します。
答える問い: どんな現実的な状況で、自律システムのスタックは失敗するでしょうか。
含まれないもの： システムが失敗するシナリオは、実際の道路ではほとんど起こらないかもしれません。そのため、失敗がどれくらいの頻度で起こるかについてはほとんど何も語れません。
動かすのに必要： 約1013 FLOPS 概算 多数の閉ループのシミュレーション計算最初の年： 2021 AdvSim: generating safety-critical scenarios for self-driving vehicles (2021) 出典
センサーモデルを備えたオープンな運転シミュレーター
交通、天候、シミュレートしたカメラとライダーを備えたゲームエンジンの世界。自動運転の開発とテストに使います。
答える問い: 運転システムは、さまざまな条件でどう見て、どう動くでしょうか。
含まれないもの： センサーと交通の現実味は、実世界と正確には一致しません。
動かすのに必要： 約1012 FLOPS 概算 GPUでのリアルタイム・レンダリング最初の年： 2017 CARLA: an open urban driving simulator (2017) 出典
学習型の脚式ロボットの歩行
強化学習のポリシーを物理シミュレーターで訓練して脚式ロボットを歩かせ、走らせます。そのあと実機に移します。
答える問い: ロボットは、シミュレーションで歩くことを学び、実際の地面でもバランスを保てるでしょうか。
含まれないもの： 足の接地、モーターの遅れ、地面の柔らかさはモデルと異なるため、シミュレーションで機能したポリシーが、実機では失敗することがあります。
動かすのに必要： 約1016 FLOPS 概算 1歩容あたりGPU時間で数時間から数日。最初の年： 2018 Tan らによる、四足ロボットの俊敏な歩行を、シミュレーションから現実へ学習させる研究です。 出典
学習型のヒューマノイドの歩行
二足歩行する人型ロボットが、さまざまな地面を歩けるよう、シミュレーションで神経制御器を訓練します。自分の感覚の履歴を使って適応します。
答える問い: 実際の試行をまったくせずに学習したポリシーで、ヒューマノイドは、階段、草地、斜面のある屋外を歩けるでしょうか。
含まれないもの： 実物大のヒューマノイドの転倒は危険で高くつくため、テストは慎重に行われ、ポリシーの限界は把握されていません。
動かすのに必要： 約1017 FLOPS 概算 GPUクラスターで数日。最初の年： 2023 Radosavovic らによる、強化学習を使った実世界のヒューマノイドの歩行。 出典
ドローンの飛行シミュレーション
ローター、センサー、カメラを備えた小型の航空機が、シミュレートされた風と物理のもとでレンダリングされた場面を飛び、自律飛行の開発と安全な試験に使われます。
答える問い: このフライトソフトウェアは、地面を離れる前から、ドローンを安定させ、障害物を避けられるでしょうか。
含まれないもの： 地面の近く、突風の中、障害物のあいだの空気力学は単純化されているため、極端なケースは実機のドローンでしか現れません。
動かすのに必要： 約1012 FLOPS 概算 ゲーム用の GPU でリアルタイム、あるいは数千回を並列で。最初の年： 2017 Shah らによる AirSim。空と地上の乗り物のための、視覚と物理のシミュレーション。 出典
学習型のドローンレース
制御ポリシーをシミュレーションで訓練し、クワッドローターを速度の限界でレーシングコースに沿って飛ばし、そのうえで実機を飛ばします。
答える問い: 学習した制御器は、人間のチャンピオン・パイロットより速く飛べるでしょうか。
含まれないもの： コースは既知で明るく照らされているので、このポリシーが未知の場所や悪条件でも通用するかどうかは示されていません。
動かすのに必要： 約1016 FLOPS 概算 シミュレーションでのGPU訓練に数日。最初の年： 2023 Kaufmann らによる、深層強化学習でチャンピオン級に達したドローンレース。 出典
ソフトロボットのシミュレーション
ゴムのような素材でできたロボットを、有限要素法で変形する固体としてモデル化します。リアルタイムで制御できるほど速く動きます。
答える問い: 柔らかいアームを、ある点に届かせるには、各室の空気圧をどう変える必要があるでしょうか。
含まれないもの： ゴムの性質は温度と経年で変わり、モデルの速さのためには粗いメッシュが必要です。
動かすのに必要： 約109 FLOPS 概算 ワークステーションでリアルタイム。最初の年： 2013 Duriez による、リアルタイム有限要素法に基づく弾性ソフトロボットの制御。 出典
触覚センサーのシミュレーション
カメラ式の皮膚センサーを物に押し当てたときに撮れるはずの触覚画像をシミュレーションでレンダリングし、ロボットの手が触れて感じ取ることを学べるようにします。
答える問い: ロボットは、本物のセンサーをすり減らさずに、触覚で物を扱うことを学べるでしょうか。
含まれないもの： ゲルの柔らかい変形は近似的にレンダリングされるので、細かい質感ほど、シミュレーションと現実の差が大きくなります。
動かすのに必要： 約1010 FLOPS 概算 ゲーム用の GPU でリアルタイム。最初の年： 2020 Wang らによる、視覚型触覚センサーのための高速なオープンソースのシミュレーター TACTO です。 出典
宇宙船の軌道
太陽、惑星、衛星の重力の中を通る軌道。スイングバイも含みます。
答える問い: この衛星へのもっとも安い経路は何で、いつ打ち上げればよいでしょうか。
含まれないもの： 重力が既知で摂動がないと仮定していますが、実際の航法では、なお針路修正が必要です。
動かすのに必要： 約1012 FLOPS 概算 ノートパソコン、候補となる軌道1本につき数秒最初の年： 1959 最初の月探査ミッションのための、初期の軌道計算
大気圏突入
毎秒数キロメートルで大気に突入する宇宙機と、そのまわりの衝撃波と熱。
答える問い: 耐熱シールドは持ちこたえるでしょうか。
含まれないもの： 極端な速度での、まれな流れの化学は、いまも不確かさの活発な源です。
動かすのに必要： 約1015 FLOPS 概算 国または大学のHPCクラスター、1ケースにつき数時間最初の年： 1958 1958年までに、弾道ミサイルの再突入加熱の初期の計算
電池と燃料電池
電池セルが充電され、劣化していくときの、電極と電解質の中のイオンと電子の動き。
答える問い: 電池の劣化を早めずに、充電を速くするにはどうすればよいでしょうか。
含まれないもの： 数千サイクルにわたる劣化は、なお外挿であり、完全にシミュレートしたものではありません。
動かすのに必要： 約1014 FLOPS 概算 大学のクラスター、セル設計1つにつき数時間最初の年： 1993 Doyle、Fuller、Newman による、多孔質電極の電池モデル
ロケットエンジンのシミュレーション
ロケットエンジンのノズルを膨張しながら流れる高温の燃焼ガスと、それに耐えなければならない壁に流れ込む熱。
答える問い: このエンジンはどれくらいの推力を出し、ノズルと壁は熱に耐えられるでしょうか。
含まれないもの： 炎自体が振動を始める燃焼不安定は、今も予測が難しいです。
動かすのに必要： 約1016 FLOPS 概算 宇宙機関または企業のスーパーコンピューターの割り当て、1ケースにつき数時間最初の年： 1968 1968年までに、ロケット燃焼室の初期の計算モデル
宇宙船の熱と電力のシミュレーション
人工衛星の中を、日光、影、搭載機器の変化に応じて動く熱と電力。
答える問い: 宇宙船のすべての部品は、安全な温度と電力の予算内にとどまるでしょうか。
含まれないもの： 表面が想定どおりに老化し劣化すると仮定していますが、軌道上での長い年月が、必ずしもそれを裏づけるわけではありません。
動かすのに必要： 約1012 FLOPS 概算 衛星技術者のデスクトップ、軌道のケース1つにつき数分最初の年： 1965 1965年までに、周回する衛星の初期の熱収支モデル
太陽光・風力発電所の発電量シミュレーション
1年分の日射や風を、発電所のパネルやタービンと突き合わせ、どれだけのエネルギーが得られるかを予測します。
答える問い: この発電所は、実際にどれくらいの電力を生み出し、建てる価値があるでしょうか。
含まれないもの： めずらしい天気の年がひとつあるだけで、長期平均から大きく外れることがあります。
動かすのに必要： 約1012 FLOPS 概算 開発業者のデスクトップ、1か所につき数分最初の年： 1981 1981年までに、風力発電所の立地のための初期のコンピューターによる風資源評価
メガコンステレーションの衝突リスク
共有の低軌道にある数万基の衛星を、既存のデブリとあわせて追跡し、接近、回避操作、故障の影響を見積もります。
答える問い: メガコンステレーションは、衝突をどれくらい増やし、故障した衛星をどれくらい速く除去する必要があるでしょうか。
含まれないもの： 将来の打ち上げ頻度、故障率、運用者の行動は仮定であり、追跡されていない小さな破片はよくわかっていません。
動かすのに必要： 約1014 FLOPS 概算 数十年の軌道進化に、クラスターで数日。最初の年： 2017 Radtke らによる、メガコンステレーションが宇宙デブリ環境とどう相互作用するかの研究。 出典
接近時の衝突確率
2つの物体の予測軌道を不確かさとともに使い、近くを通るときに衝突する確率を計算します。
答える問い: この接近を避けるために、スラスターを噴射する価値はあるでしょうか。
含まれないもの： 軌道の不確かさはしばしば過小評価されており、単一の確率は仮定した誤差の形に大きく左右されます。
動かすのに必要： 約106 FLOPS 概算 接近1回につき数秒。数千の物体にわたって動かします。最初の年： 1999 Alfriend らによる、衝突確率の誤差の分析。 出典
金属の鋳造と凝固
溶けた金属が型を満たし、固まる様子を追い、うまく満ちない場所や、収縮して欠陥になる場所を調べます。
答える問い: この鋳物はきちんと満たされるでしょうか。また、欠陥はどこにできるでしょうか。
含まれないもの： 実際の炉と型の条件は、一回のシミュレートされた鋳込みよりも、ずっと変動します。
動かすのに必要： 約1014 FLOPS 概算 エンジニアリング会社のクラスター、1ケースにつき数時間最初の年： 1985 1985年までに、この製造工程の初期のコンピューター・シミュレーション
溶接のシミュレーション
溶接部のまわりの狭い領域での金属の溶融、混合、冷却と、仕上がった部品をゆがめる応力。
答える問い: 溶接は持ちこたえるでしょうか。また、そのあと部品はどれくらい歪むでしょうか。
含まれないもの： きれいで安定した溶接の条件を仮定していますが、手溶接では必ずしもそうなりません。
動かすのに必要： 約1014 FLOPS 概算 エンジニアリング会社のクラスター、1ケースにつき数時間最初の年： 1975 1975年までに、この製造工程の初期のコンピューター・シミュレーション
積層造形のシミュレーション
動く熱源で層ごとに積み上げた部品。加熱、溶融、そこに残る残留応力を追います。
答える問い: 完成した部品は反ったり割れたりするでしょうか。また、造形プレート上でどの向きに置くべきでしょうか。
含まれないもの： 本来の解像度での部品全体のシミュレーションは、ほとんどの生産スケジュールにはまだ遅すぎます。
動かすのに必要： 約1014 FLOPS 概算 エンジニアリング会社のクラスター、1ケースにつき数時間最初の年： 1995 1995年までに、この製造工程の初期のコンピューター・シミュレーション
金属の成形とプレス加工
板金や熱した鋼片を、押し、打ち抜き、鍛造して最終的な形にします。
答える問い: その金属は、最終的な形に達する前に、割れたりしわになったりするでしょうか。
含まれないもの： 一様な出発時のシートを仮定していますが、実際の材料のバッチは、それ以上にばらつきます。
動かすのに必要： 約1014 FLOPS 概算 エンジニアリング会社のクラスター、1ケースにつき数時間最初の年： 1980 1980年までに、この製造工程の初期のコンピューター・シミュレーション
切削加工のシミュレーション
切削工具が金属を切りくずとして削り取り、そこで生じる力、熱、摩耗を扱います。
答える問い: 工具を壊したり、仕上げ面を台無しにしたりせずに、どれくらい速く削れるでしょうか。
含まれないもの： 多くの部品にわたる工具の摩耗は、今も第一原理からではなく、過去の経験からの見積もりが大半です。
動かすのに必要： 約1013 FLOPS 概算 エンジニアリング会社のクラスター、1ケースにつき数時間最初の年： 1982 1982年までに、この製造工程の初期のコンピューター・シミュレーション
射出成形のシミュレーション
溶けたプラスチックが型のキャビティを満たし、冷えて最終的な形になります。
答える問い: 型は均等に満たされるでしょうか。また、どこで反ったり欠陥が出たりするでしょうか。
含まれないもの： 実際のプラスチックのバッチは、流れ方が、標準的な材料データが仮定するよりも大きく変わります。
動かすのに必要： 約1013 FLOPS 概算 エンジニアリング会社のクラスター、1ケースにつき数時間最初の年： 1976 1976年までに、この製造工程の初期のコンピューター・シミュレーション