Инженерия и технологии
Обтекание крыльев воздухом, конструкции под нагрузкой, микросхемы до изготовления, роботы до постройки.
Сегодня почти ничто не строится без предварительной симуляции. За последние пятьдесят лет симуляция заменила большинство физических прототипов. Самая старая форма, физическая масштабная модель, всё ещё используется.
Аэродинамика
Воздух обтекает крылья, автомобили, здания и ветряные турбины.
Вопрос, на который отвечает: Какое сопротивление, какая подъёмная сила и где поток отрывается?
Не учитывает: Турбулентность моделируется, а не разрешается, поэтому тонкие детали разделения приближённые.
Работает на: около 1015 FLOPS приблизительно университетский или корпоративный кластер высокопроизводительных вычислений, дни на случайС: 1962 Панельный метод Hess и Smith для форм самолётов
Турбулентность
Каждый вихрь турбулентного течения разрешается напрямую, от самого большого до самого малого.
Вопрос, на который отвечает: Что на самом деле делает турбулентность, чтобы более дешёвые модели могли её приблизить?
Не учитывает: Ограничена умеренными числами Рейнольдса; настоящие течения опережают самые большие машины.
Работает на: около 1017 FLOPS приблизительно национальный суперкомпьютер, большая доля, на неделиС: 1972 Первая трёхмерная прямая численная симуляция, Orszag и Patterson
Физические масштабные модели
Аэродинамические трубы, волновые бассейны, речные модели и вибростенды: самые старые симуляции, которые по-прежнему используют для проверки численных.
Вопрос, на который отвечает: Совпадает ли настоящее течение с тем, что предсказал компьютер?
Не учитывает: Из-за масштабных эффектов маленькая модель не всегда ведёт себя как полноразмерный объект.
Работает на: без компьютера. без цифровых вычислений; вместо них настоящие воздух, вода или вибростолС: 1871 Фрэнк Уэнем построил одну из первых аэродинамических труб
Симуляция кавитации
Пузырьки, которые возникают и яростно схлопываются в быстро движущейся жидкости вокруг корабельных винтов, насосов и клапанов.
Вопрос, на который отвечает: Где кавитация изъест этот винт или насос и как спроектировать, чтобы её обойти?
Не учитывает: Схлопывание пузырьков происходит в масштабах мельче, чем большинство симуляций может позволить себе разрешать везде.
Работает на: около 1015 FLOPS приблизительно кластер университета или верфи, часы на случайС: 1988 к 1988 году: первые вычислительные модели кавитационного течения вокруг винтов
Многофазный и трубопроводный поток
Нефть, газ, вода и шламы вместе движутся по трубопроводам, скважинам и технологическим установкам.
Вопрос, на который отвечает: Будет ли трубопровод работать ровно или пробки жидкости и газа его забьют?
Не учитывает: Внезапное образование пробок по-прежнему одна из самых трудных для надёжного предсказания вещей.
Работает на: около 1014 FLOPS приблизительно кластер энергетической компании, часы на случай трубопроводаС: 1979 к 1979 году: первые модели многофазного течения для морских нефте- и газопроводов
Симуляция нарастания льда
Переохлаждённые капли воды замерзают на крыльях самолётов и лопастях ветрогенераторов в полёте или на ветру.
Вопрос, на который отвечает: Сколько льда нарастёт и справится ли с ним противообледенение?
Не учитывает: Настоящие размеры капель облаков и лёд в смешанной фазе меняются сильнее, чем предполагают стандартные условия испытаний.
Работает на: около 1014 FLOPS приблизительно кластер аэрокосмической лаборатории, часы на случай обледененияС: 1988 к 1988 году: первые вычислительные коды обледенения помогают сертификации самолётов
Нейронные сети с учётом физики
Нейронную сеть обучают так, чтобы её выходы одновременно удовлетворяли определяющему дифференциальному уравнению и наблюдаемым данным.
Вопрос, на который отвечает: Может ли сеть выучить решение уравнения в частных производных почти или совсем без сетки?
Не учитывает: Обучение медленное и ненадёжное для жёстких или турбулентных задач.
Работает на: около 1013 FLOPS приблизительно Обучение на градиентах с автоматическим дифференцированиемС: 2017 Physics informed deep learning, part I (2017) источник
Нейронные операторы
Сеть учится отображению от функции, например граничного условия, к решению уравнения в частных производных, так что на новые входные данные отвечает за один проход.
Вопрос, на который отвечает: Может ли обученная модель мгновенно решить целое семейство уравнений в частных производных?
Не учитывает: Нужно много расчётов решателя для обучения, а экстраполирует плохо.
Работает на: около 1015 FLOPS приблизительно Дорогая генерация данных, затем быстрый выводС: 2019 DeepONet: learning nonlinear operators (2019), followed by Fourier neural operators (2020) источник
Обученные симуляторы на графовых сетях
Графовая нейросеть, обученная на данных симуляций, продвигает частицы или узлы сетки вперёд, подражая жидкостям, ткани и твёрдым телам.
Вопрос, на который отвечает: Может ли нейросеть заменить физический решатель для жидкостей и деформируемых объектов?
Не учитывает: Ошибки накапливаются на длинных прогонах, а сохранение величин не гарантировано.
Работает на: около 1014 FLOPS приблизительно Обучение на данных решателя, более быстрый прогонС: 2020 Learning to simulate complex physics with graph networks (2020) источник
Обученные решатели течений
Свёрточная сеть заменяет шаг проекции давления в сеточном решателе для жидкостей, чтобы ускорить симуляцию дыма и жидкости.
Вопрос, на который отвечает: Может ли обученная сеть намного ускорить решатель несжимаемого течения?
Не учитывает: Устойчивость и точность проверены только на потоках, похожих на обучающие.
Работает на: около 1012 FLOPS приблизительно Обучение на данных решателя, быстрый выводС: 2016 Accelerating Eulerian fluid simulation with convolutional networks (2016) источник
Решёточные газовые автоматы для течения жидкости
Частицы прыгают по решётке с простыми правилами столкновений и в целом воспроизводят течение жидкости или газа, хотя уравнений механики жидкости в модель не заложено.
Вопрос, на который отвечает: Может ли течение жидкости возникнуть из простых правил частиц на решётке?
Не учитывает: Шум от дискретных частиц и отсутствие галилеевой инвариантности ограничивают точность, поэтому метод заменили.
Работает на: около 1011 FLOPS приблизительно побитовые правила на решётке с миллионами узлов.С: 1986 Решёточные газовые автоматы Фриша, Хасслахера и Помо для уравнения Навье — Стокса. источник
Решёточная симуляция течения методом Больцмана
Жидкость представлена распределениями скоростей частиц на решётке, которые распространяются и сталкиваются, давая течение в сложной геометрии, например в пористой породе или кровеносных сосудах.
Вопрос, на который отвечает: Как жидкость течёт через очень сложную геометрию?
Не учитывает: Метод ограничен малыми числами Маха, а обработка границ требует аккуратности.
Работает на: около 1015 FLOPS приблизительно миллиарды ячеек решётки на графическом оборудовании или кластере.С: 1988 Применение уравнения Больцмана для симуляции решёточных газовых автоматов, McNamara и Zanetti. источник
Прямая симуляция разреженного газа
Молекулы разреженного газа движутся и сталкиваются случайно там, где газ слишком редок, чтобы считаться сплошной жидкостью, как на краю космоса или внутри крошечных каналов.
Вопрос, на который отвечает: Как разреженный газ обтекает аппарат на границе атмосферы?
Не учитывает: Каждая смоделированная частица заменяет триллионы настоящих, поэтому статистический шум на малых скоростях высок.
Работает на: около 1014 FLOPS приблизительно миллиарды смоделированных частиц.С: 1963 Прямая симуляция Бёрда: приближение к поступательному равновесию в газе твёрдых сфер. источник
Крупновихревое моделирование ветровых электростанций
Турбулентный воздух проходит через ветровую электростанцию с добавленными силами от каждого ротора, чтобы увидеть, как взаимодействуют следы и снижают мощность турбин вниз по потоку.
Вопрос, на который отвечает: Сколько мощности ветряная электростанция теряет из-за собственных следов?
Не учитывает: Лопасти турбин заменены силовыми дисками, а рельеф и устойчивость атмосферы меняют результаты.
Работает на: около 1016 FLOPS приблизительно расчёты с крупными вихрями на области в несколько километров с десятками турбин.С: 2010 Крупновихревая симуляция Калафа, Менево и Мейерса для пограничных слоёв полностью развитых массивов ветряных турбин. источник
Взаимодействие жидкости и конструкции
Движущуюся жидкость и деформирующееся тело решают вместе, чтобы предсказывать взмахи, вибрацию и флаттер крыльев, мостов и клапанов.
Вопрос, на который отвечает: Как гибкая конструкция движется в обтекающем потоке?
Не учитывает: Движение сетки и сильные эффекты присоединённой массы делают связь дорогой, а иногда неустойчивой.
Работает на: около 1015 FLOPS приблизительно связанные решатели жидкости и твёрдого тела, итерируемые на каждом шаге.С: 1974 Произвольный лагранжево-эйлеров метод Hirt, Amsden и Cook для течений на всех скоростях. источник
Крупновихревая симуляция динамики пожара
Горячий газ и дым от пожара в комнате, тоннеле или здании. Это плавучее турбулентное течение с простой моделью горения, чтобы увидеть, как расходятся тепло и дым.
Вопрос, на который отвечает: Как быстро дым заполнит этот коридор и когда люди перестанут видеть выход?
Не учитывает: Химия горения и сажа упрощены, а настоящие топлива, окна и мебель описаны лишь приблизительно.
Работает на: около 1013 FLOPS приблизительно дни на кластере для большого пожара здания.С: 2000 Руководство пользователя Fire Dynamics Simulator, McGrattan и коллеги, Национальный институт стандартов и технологий США. источник
Анализ конструкций
Мосты, здания, самолёты и детали под нагрузкой, жаром и вибрацией.
Вопрос, на который отвечает: Где слабое место и сколько запаса осталось?
Не учитывает: Предполагает идеализированные материалы и нагрузки; настоящие дефекты учитываются запасами прочности, а не физикой.
Работает на: около 1014 FLOPS приблизительно инженерная рабочая станция или небольшой кластер, часы на случайС: 1956 Метод расчёта самолётных конструкций Тёрнера, Клафа, Мартина и Топпа
Симуляция аварий
Автомобили деформируются при столкновении, внутри виртуальные пассажиры.
Вопрос, на который отвечает: Как защитить людей внутри?
Не учитывает: Травмы пассажира оцениваются по моделям манекенов, а не по настоящей изменчивости человеческих тканей.
Работает на: около 1015 FLOPS приблизительно кластер автопроизводителя для высокопроизводительных вычислений, часы на случай краш-тестаС: 1979 к 1979 году: явные конечно-элементные коды национальных лабораторий моделируют столкновения автомобилей
Динамика многих тел
Механизмы как жёсткие детали, соединённые шарнирами, пружинами и шестернями: подвески, двигатели, роботизированные руки.
Вопрос, на который отвечает: Будет ли механизм двигаться как задумано и куда уходят нагрузки?
Не учитывает: Детали считаются жёсткими или слегка гибкими, и тонкие моды колебаний теряются.
Работает на: около 1013 FLOPS приблизительно настольный компьютер инженера, от минут до часовС: 1971 Компьютерный метод анализа механизмов, Sheth и Uicker
Акустика и вибрация
Звуковые волны в залах, двигателях и городах и вибрация в конструкциях.
Вопрос, на который отвечает: Будет ли в этом зале хорошая акустика и будет ли этот мост слышимо резонировать?
Не учитывает: Плохо справляется с низкими частотами, где волновые эффекты преобладают над лучевыми.
Работает на: около 1014 FLOPS приблизительно рабочая станция или небольшой кластер, часы на случайС: 1968 Krokstad и коллеги смоделировали акустику помещений трассировкой лучей
Усталость и рост трещин
Медленное повреждение конструкции от миллионов небольших циклов нагрузки: модель прослеживает рост трещин, которые в конце концов приводят к разрушению.
Вопрос, на который отвечает: Через сколько лет или лётных часов эту деталь нужно менять?
Не учитывает: Настоящие производственные дефекты разнообразнее идеализированных начальных трещин.
Работает на: около 1014 FLOPS приблизительно инженерная рабочая станция или небольшой кластер, часы на детальС: 1968 к 1968 году: первые компьютерные программы расчёта усталостной долговечности по механике разрушения
Трибология и контактная механика
Трение, износ и смазка между движущимися поверхностями в подшипниках, шестернях и суставах.
Вопрос, на который отвечает: Сколько прослужит этот подшипник и сколько энергии трение уносит впустую?
Не учитывает: Шероховатость поверхности на микроскопическом уровне приближённая, а не измеренная для каждой детали.
Работает на: около 1013 FLOPS приблизительно настольный компьютер инженера, часы на случай контактаС: 1970 к 1970 году: первые компьютерные модели эластогидродинамической смазки
Топологическая оптимизация
В пространство проектирования под нагрузкой добавляют и убирают материал, пока не появится самая лёгкая жёсткая форма, с отверстиями и стойками, которых инженер не рисовал.
Вопрос, на который отвечает: Какая самая лёгкая форма всё ещё выдерживает эту нагрузку?
Не учитывает: Оптимальные формы часто трудно изготовить, и они могут быть хрупкими под нагрузками, которые не учли.
Работает на: около 1013 FLOPS приблизительно конечно-элементные расчёты внутри цикла оптимизации с миллионами переменных.С: 1988 Генерация оптимальных топологий в конструкторском проектировании методом гомогенизации Бендсёэ и Кикучи. источник
Перидинамическое моделирование разрушения
Твёрдое тело представлено точками, взаимодействующими на расстоянии, так что трещины возникают, ветвятся и сливаются, и путь трещины заранее не задан.
Вопрос, на который отвечает: Как трещина выбирает путь в хрупком материале?
Не учитывает: Дальность взаимодействия и закон разрушения нужно калибровать под материал.
Работает на: около 1014 FLOPS приблизительно расчёты без сетки с миллионами узлов.С: 2000 Переформулировка теории упругости для разрывов и дальнодействующих сил, Silling. источник
Моделирование космического мусора и столкновений спутников
Спутники, обломки и корпуса ракет прослеживают на протяжении десятилетий столкновений и распада, чтобы выяснить, питают ли они сами себя и закрывают ли полезные орбиты.
Вопрос, на который отвечает: Сколько столкновений нужно, чтобы обломки сделали орбиту непригодной?
Не учитывает: Мелкие неотслеживаемые фрагменты, будущие запуски и поведение при смягчении последствий неопределённы.
Работает на: около 1011 FLOPS приблизительно долгие расчёты Монте-Карло по множеству популяций орбит.С: 1978 Частота столкновений искусственных спутников и образование пояса обломков, Kessler и Cour-Palais. источник
Совместная симуляция связанных моделей
Отдельные симуляции мотора, коробки передач, контроллера и аккумулятора, каждая в своём инструменте, запускают вместе, обмениваясь данными в согласованные моменты времени.
Вопрос, на который отвечает: Работает ли вся машина, когда вместе запускаются модели всех подсистем, построенные разными командами?
Не учитывает: Обмен данными с фиксированным шагом добавляет численную ошибку, а жёсткая связь может стать неустойчивой.
Работает на: около 1010 FLOPS приблизительно часов на рабочей станции для одного ездового цикла автомобиля.С: 2011 Functional Mock-up Interface Блохвица с коллегами для независимого от инструментов обмена моделями симуляции. источник
Симуляция электронных схем
Каждое напряжение и каждый ток в электронной схеме, транзистор за транзистором.
Вопрос, на который отвечает: Работает ли схема, и сколько мощности она потребляет?
Не учитывает: Модели компонентов — подогнанные приближения; настоящий кремний от чипа к чипу различается.
Работает на: около 1013 FLOPS приблизительно настольный компьютер инженера, минуты на блок микросхемыС: 1973 SPICE Нейгела и Педерсона, универсальная программа моделирования цепей в Беркли
Симуляция логики микросхем
Проект цифровой микросхемы, который прогоняют по одному такту, прежде чем её изготовят.
Вопрос, на который отвечает: Вычисляет ли чип верный результат до того, как понесены затраты на изготовление?
Не учитывает: Временные характеристики приближены; работающая симуляция всё равно может не сработать после изготовления.
Работает на: около 1014 FLOPS приблизительно проектная рабочая станция или небольшой серверный кластер, часы на запускС: 1965 к 1965 году: первые симуляторы на уровне вентилей проверяют проекты цифровой логики
Электромагнетизм
Радиоволны, свет и поля вокруг антенн, схем и оптических устройств.
Вопрос, на который отвечает: Насколько хорошо эта антенна излучает и не создаёт ли это устройство помех?
Не учитывает: Тонкие геометрические детали у предела сетки сглаживаются.
Работает на: около 1014 FLOPS приблизительно рабочая станция или кластер, часы на проектС: 1966 Метод конечных разностей во временной области Кейна Йи
Симуляция компьютерных сетей
Пакеты идут через маршрутизаторы, каналы и протоколы.
Вопрос, на который отвечает: Выдержит ли сеть вдвое больше трафика?
Не учитывает: Упрощает особенности настоящего оборудования и схемы трафика, наблюдаемые в рабочих сетях.
Работает на: около 1013 FLOPS приблизительно настольный компьютер или небольшой сервер, от минут до часовС: 1964 Анализ пакетных сетей на основе теории очередей Леонарда Клейнрока
Эмуляция и виртуальные машины
Одна машина точно имитирует другую, инструкция за инструкцией, и программы на ней работают без изменений.
Вопрос, на который отвечает: Можем ли мы запустить эту старую или будущую систему на имеющемся оборудовании?
Не учитывает: Работает медленнее настоящего оборудования, если его не оптимизировать тщательно.
Работает на: около 1012 FLOPS приблизительно настольный компьютер, в реальном времени или быстрееС: 1963 к 1963 году: первые симуляторы наборов команд проверяют проекты компьютеров до их появления
Симуляция полупроводниковых приборов
Электроны и атомы примесей внутри одного транзистора, до превращения в модель уровня схемы.
Вопрос, на который отвечает: Как форма и легирование этого транзистора изменят его переключение?
Не учитывает: Упрощает квантовые эффекты, которые важнее всего на самых малых размерах транзисторов.
Работает на: около 1014 FLOPS приблизительно кластер полупроводниковой компании, часы на устройствоС: 1964 Численная модель биполярного транзистора Гуммеля
Цифровые двойники сетей
Виртуальная копия сети связи, синхронизированная с настоящей, на которой проверяют изменения, прежде чем их применить.
Вопрос, на который отвечает: Что случилось бы с сетью, если бы внести это изменение?
Не учитывает: Точность зависит от телеметрии, а масштаб ограничен.
Работает на: около 1012 FLOPS приблизительно Модели на уровне пакетов или обученные моделиС: 2021 Digital twin networks: a survey (2021) источник
Симуляция оптической литографии
Свет, проходящий через маску на светочувствительную плёнку, чтобы предсказать рисунок схемы на чипе, включая размытие и химию резиста.
Вопрос, на который отвечает: Напечатается ли рисунок маски на чипе как задумано?
Не учитывает: Химия резиста и стохастические эффекты фотонов на крошечных размерах учтены приближённо.
Работает на: около 1013 FLOPS приблизительно симуляция всего чипа для одного слоя.С: 1975 Экспозиционная модель оптической литографии для фоторезиста Дилла. источник
Симуляция полупроводниковых процессов
Этапы изготовления транзистора, имплантацию, диффузию и окисление, прослеживают, чтобы до модели прибора предсказать профили легирования и формы.
Вопрос, на который отвечает: Какой профиль легирования и какую форму даёт данный рецепт изготовления?
Не учитывает: Модели точечных дефектов и границ нужно калибровать под каждый новый процесс.
Работает на: около 1012 FLOPS приблизительно двух- или трёхмерные расчёты диффузии и реакций.С: 1979 Модели Антониадиса и Даттона для компьютерной симуляции полных процессов изготовления микросхем. источник
Тепловое моделирование процессоров
Тепло, идущее через слои чипа и его корпуса под действием меняющейся мощности функциональных блоков. Так находят горячие точки и задают троттлинг.
Вопрос, на который отвечает: Где перегревается процессор при изменении нагрузки?
Не учитывает: Модель использует оценки мощности, а детали корпуса и охлаждения обобщены.
Работает на: около 108 FLOPS приблизительно компактная тепловая сеть, которая считается за секунды.С: 2003 Температурно-осведомлённая микроархитектура с компактной тепловой моделью, Skadron и коллеги. источник
Расчёт зонной структуры фотонных кристаллов
Свет в периодической структуре диэлектрика. Решают, какие частоты могут распространяться, а какие нет, чтобы проектировать волноводы и фильтры.
Вопрос, на который отвечает: Какие цвета света может блокировать периодическая структура?
Не учитывает: Предполагается идеальная периодичность, поэтому беспорядок, потери и конечный размер добавляют отдельно.
Работает на: около 1010 FLOPS приблизительно решение собственных значений в плоских волнах для каждого волнового вектора.С: 1990 Демонстрация фотонной щели в периодических диэлектрических структурах, Ho, Chan и Soukoulis. источник
Тепловое моделирование многослойных чипов
Тепло в кремниевых слоях, сложенных стопкой и охлаждаемых жидкостью между ними. Решается достаточно быстро, чтобы определять конструкцию стопки.
Вопрос, на который отвечает: Может ли стопка микросхем с каналами охлаждающей жидкости держать каждый слой ниже предела?
Не учитывает: В настоящих чипах горячие точки намного меньше ячеек модели, поэтому пиковые температуры могут быть занижены.
Работает на: около 108 FLOPS приблизительно минуты на рабочей станции.С: 2010 Компактная нестационарная тепловая модель 3D-ICE Шридхара с коллегами для трёхмерных микросхем с жидкостным охлаждением между ярусами. источник
Симуляция роботов
Роботы с симулированными датчиками и моторами в физическом движке обучаются или проверяются, прежде чем коснуться реального мира.
Вопрос, на который отвечает: Сработает ли контроллер, обученный в симуляции, на настоящем роботе?
Не учитывает: Контакт и трение в реальном мире по-прежнему трудно точно воспроизвести.
Работает на: около 1013 FLOPS приблизительно настольный компьютер с видеокартой, в реальном времени или быстрееС: 1983 к 1983 году: первые симуляторы офлайн-программирования планируют работу промышленных роботов-манипуляторов
Испытания беспилотных автомобилей
Программы беспилотного вождения проезжают миллионы виртуальных километров через редкие и опасные сценарии.
Вопрос, на который отвечает: Как система справляется с ситуацией, которая случается раз на миллион километров?
Не учитывает: Редкие реальные сценарии по-прежнему трудно уловить, сколько бы виртуальных километров ни проехали.
Работает на: около 1015 FLOPS приблизительно парк облачных серверов с видеокартами, параллельный запускС: 2004 поддержка симуляции для первых американских состязаний беспилотных автомобилей
Роевая робототехника
Много простых роботов координируются по местным правилам, часто заимствованным у насекомых.
Вопрос, на который отвечает: Могут ли сто дешёвых роботов делать то, чего не может один дорогой?
Не учитывает: Простые смоделированные роботы не отражают настоящий шум датчиков и пределы батарей.
Работает на: около 1012 FLOPS приблизительно ноутбук, моделирующий от десятков до сотен роботовС: 1989 Ранняя работа Херардо Бени по роевому интеллекту и клеточной робототехнике
Цифровые двойники
Симуляция, которую непрерывно синхронизируют с настоящей машиной, установкой или зданием по данным их живых датчиков.
Вопрос, на который отвечает: Что вот-вот откажет, и что будет, если изменить эту настройку?
Не учитывает: Точность ограничена данными датчиков, которые ей подаются; пропуски и дрейф накапливаются.
Работает на: около 1013 FLOPS приблизительно облачный сервер, который непрерывно обновляет модель заводаС: 2002 Майкл Гривз предложил объединять изделие с живой виртуальной моделью
Проходимость планетоходов
Колёса и манипулятор планетохода взаимодействуют с рыхлым грунтом и камнями другого мира ещё до того, как он туда поедет.
Вопрос, на который отвечает: Застрянет ли ровер и достанет ли его манипулятор до образца?
Не учитывает: Внеземная почва известна лишь с горстки мест посадки, поэтому её поведение экстраполируется.
Работает на: около 1013 FLOPS приблизительно кластер космического агентства, часы на случай местностиС: 1997 симуляции взаимодействия колеса с грунтом, поддержавшие первый успешный марсоход
Управление экзоскелетами и протезами
Носимая машина и человеческое тело движутся вместе, а систему управления настраивают до того, как человек её наденет.
Вопрос, на который отвечает: Поможет ли устройство движению того, кто его носит, или помешает?
Не учитывает: Смоделированные тела редко точно передают конкретную травму или походку одного человека.
Работает на: около 1013 FLOPS приблизительно настольный компьютер исследовательской лаборатории, в реальном времени на испытаниеС: 1990 к 1990 году: первые симуляции управления моторизованными экзоскелетами в исследовательских лабораториях
Среды для обучения роботов с параллельными вычислениями на GPU
Тысячи смоделированных роботов работают одновременно на одном GPU, чтобы политику обучения с подкреплением можно было обучить за минуты.
Вопрос, на который отвечает: Как быстро можно выучить политику робота при массово параллельной симуляции?
Не учитывает: Физика контакта упрощена, поэтому перенос требует осторожности.
Работает на: около 1015 FLOPS приблизительно Тысячи параллельных физических сред на GPUС: 2021 Isaac Gym: high performance GPU-based physics simulation for robot learning (2021) источник
Обучение с рандомизацией предметной области для переноса из симуляции в реальность
Политику обучают в симуляторе, где внешний вид и физика случайно меняются, чтобы она работала в реальном мире.
Вопрос, на который отвечает: Будет ли политика, обученная только в симуляции, работать на настоящем роботе?
Не учитывает: Диапазоны рандомизации должны охватывать настоящий разрыв, а его трудно узнать.
Работает на: около 1014 FLOPS приблизительно Большие рандомизированные обучающие прогоныС: 2017 Domain randomization for transferring deep neural networks from simulation to the real world (2017) источник
Дифференцируемая физическая симуляция
Физический движок, написанный так, что градиенты возвращаются сквозь контакты и движение; проекты или контроллеры можно настраивать градиентным спуском.
Вопрос, на который отвечает: Как нужно изменить этот регулятор или проект, чтобы улучшить результат?
Не учитывает: Градиенты при жёстких контактах шумные или вводят в заблуждение.
Работает на: около 1012 FLOPS приблизительно Обратные проходы через множество шагов симуляцииС: 2016 A differentiable physics engine for deep learning in robotics (2016) источник
Состязательная генерация дорожных сценариев
Оптимизатор возмущает траектории других участников движения в записанных сценах, чтобы найти ситуации, в которых система беспилотного вождения даёт сбой.
Вопрос, на который отвечает: Какие реалистичные ситуации заставляют сбоить систему автономного вождения?
Не учитывает: Сценарий, при котором система даёт сбой, может почти не встречаться на настоящих дорогах, и поэтому почти ничего не говорит о том, как часто случаются сбои.
Работает на: около 1013 FLOPS приблизительно Много прогонов замкнутого циклаС: 2021 AdvSim: generating safety-critical scenarios for self-driving vehicles (2021) источник
Открытые тренажёры вождения с моделями датчиков
Мир на игровом движке с трафиком, погодой и смоделированными камерами и лидаром для разработки и проверки автономного вождения.
Вопрос, на который отвечает: Как система вождения видела бы и действовала в разных условиях?
Не учитывает: Реализм датчиков и трафика не точно совпадает с реальным миром.
Работает на: около 1012 FLOPS приблизительно Рендеринг в реальном времени на GPUС: 2017 CARLA: an open urban driving simulator (2017) источник
Обученная локомоция шагающих роботов
Политику с обучением с подкреплением учат ходить и бегать для шагающего робота в физическом симуляторе, а затем переносят на настоящую машину.
Вопрос, на который отвечает: Может ли робот научиться ходить в симуляции и сохранять равновесие на настоящей земле?
Не учитывает: Контакт стопы, задержки двигателей и мягкость земли отличаются от модели, поэтому политика, работающая в симуляции, может не сработать на машине.
Работает на: около 1016 FLOPS приблизительно от часов до суток GPU на один тип походки.С: 2018 Обучение четвероногих роботов ловкому передвижению с переносом из симуляции в реальность, Тан с коллегами. источник
Обученная локомоция человекоподобных роботов
Нейронный контроллер обучают в симуляции для двуногого человекоподобного робота ходить по разной поверхности, используя историю собственных ощущений, чтобы приспосабливаться.
Вопрос, на который отвечает: Может ли гуманоид ходить на улице по лестницам, траве и склонам, пользуясь политикой, выученной без единого настоящего испытания?
Не учитывает: Падения полноразмерного гуманоида опасны и дороги, поэтому испытания осторожны, а пределы политики не нанесены на карту.
Работает на: около 1017 FLOPS приблизительно дни на кластере видеокарт.С: 2023 Radosavovic и коллеги: обучение с подкреплением для ходьбы человекоподобных роботов в реальном мире. источник
Симуляция полёта дронов
Небольшие летательные аппараты с винтами, датчиками и камерами летают по отрисованным сценам при смоделированном ветре и физике, чтобы развивать автономность и безопасно её проверять.
Вопрос, на который отвечает: Будет ли это полётное ПО держать дрон устойчивым и обходить препятствия ещё до того, как он оторвётся от земли?
Не учитывает: Аэродинамика у земли, в порывах и между препятствиями упрощена, поэтому крайние случаи проявляются только на настоящем дроне.
Работает на: около 1012 FLOPS приблизительно в реальном времени на игровом GPU или тысячи расчётов параллельно.С: 2017 AirSim Shah и коллег: визуальная и физическая симуляция воздушных и наземных транспортных средств. источник
Обученные гоночные дроны
Управляющую политику обучают в симуляции пролетать на квадрокоптере гоночную трассу на пределе его скорости, а затем запускают на настоящем аппарате.
Вопрос, на который отвечает: Может ли обученный контроллер летать быстрее пилота-чемпиона среди людей?
Не учитывает: Трасса известна и хорошо освещена, поэтому не доказано, что политика работает в незнакомых местах и плохих условиях.
Работает на: около 1016 FLOPS приблизительно дни обучения на видеокартах в симуляции.С: 2023 Гонки дронов на уровне чемпионов с глубоким обучением с подкреплением, Kaufmann и коллеги. источник
Моделирование мягких роботов
Робот из резиноподобного материала моделируется как деформируемое твёрдое тело методом конечных элементов, и так быстро, что им можно управлять в реальном времени.
Вопрос, на который отвечает: Как нужно менять давление воздуха в камерах, чтобы мягкая рука достала до заданной точки?
Не учитывает: Свойства резины меняются с температурой и возрастом, а скорость модели требует грубой сетки.
Работает на: около 109 FLOPS приблизительно в реальном времени на рабочей станции.С: 2013 Управление упругими мягкими роботами на основе метода конечных элементов в реальном времени Дюрье. источник
Моделирование тактильных датчиков
Тактильные изображения, которые снял бы камерный датчик кожи при нажатии на предметы, создают в симуляции, чтобы руки роботов учились чувствовать.
Вопрос, на который отвечает: Может ли робот научиться обращаться с предметами на ощупь, не изнашивая настоящие датчики?
Не учитывает: Мягкая деформация геля воспроизводится приближённо, поэтому разрыв между симуляцией и реальностью больше для тонкой текстуры.
Работает на: около 1010 FLOPS приблизительно в реальном времени на игровом GPU.С: 2020 TACTO, быстрый симулятор с открытым кодом для тактильных датчиков на основе зрения, Ван с коллегами. источник
Траектории космических аппаратов
Траектории в поле тяготения Солнца, планет и лун, включая гравитационные манёвры.
Вопрос, на который отвечает: Какой самый дешёвый путь к этой луне и когда стартовать?
Не учитывает: Предполагает известную гравитацию и отсутствие возмущений; настоящая навигация всё равно требует коррекции курса.
Работает на: около 1012 FLOPS приблизительно ноутбук, секунды на каждую траекторию-кандидатаС: 1959 первые расчёты траекторий для первых полётов на Луну
Вход в атмосферу
Космический аппарат входит в атмосферу со скоростью в несколько километров в секунду; считают ударную волну и жар вокруг него.
Вопрос, на который отвечает: Выдержит ли теплозащита?
Не учитывает: Редкая химия потока на экстремальной скорости по-прежнему остаётся источником неопределённости.
Работает на: около 1015 FLOPS приблизительно национальный или университетский кластер высокопроизводительных вычислений, часы на случайС: 1958 к 1958 году: первые расчёты нагрева при входе баллистических ракет в атмосферу
Аккумуляторы и топливные элементы
Ионы и электроны движутся через электроды и электролит, пока ячейка заряжается и стареет.
Вопрос, на который отвечает: Как ускорить зарядку, не ускоряя износ батареи?
Не учитывает: Старение на протяжении тысяч циклов по-прежнему экстраполируется, а не моделируется полностью.
Работает на: около 1014 FLOPS приблизительно университетский кластер, часы на проект клеткиС: 1993 Модель аккумулятора с пористым электродом Дойла, Фуллера и Ньюмена
Симуляция ракетных двигателей
Горячий газ от горения расширяется в сопле ракетного двигателя и отдаёт тепло стенкам, которые должны это выдержать.
Вопрос, на который отвечает: Какую тягу создаёт этот двигатель и выдержат ли жар сопло и стенки?
Не учитывает: Неустойчивость горения, когда само пламя начинает колебаться, по-прежнему трудно предсказать.
Работает на: около 1016 FLOPS приблизительно доля суперкомпьютера космического агентства или компании, часы на случайС: 1968 к 1968 году: первые вычислительные модели камер сгорания ракет
Моделирование тепла и питания космических аппаратов
Тепло и электроэнергия в спутнике при смене солнечного света, тени и работы бортового оборудования.
Вопрос, на который отвечает: Останется ли каждая часть космического аппарата в безопасных пределах температуры и энергобюджета?
Не учитывает: Предполагает, что поверхности стареют и разрушаются, как ожидалось, а годы на орбите не всегда это подтверждают.
Работает на: около 1012 FLOPS приблизительно настольный компьютер инженера-спутниковика, минуты на орбитальный случайС: 1965 к 1965 году: первые модели теплового баланса спутников на орбите
Моделирование выработки солнечных и ветровых электростанций
Солнечный свет или ветер за год сопоставляют с панелями или турбинами станции, чтобы предсказать, сколько энергии она выработает.
Вопрос, на который отвечает: Сколько электричества эта ферма действительно выработает и стоит ли её строить?
Не учитывает: Один необычный погодный год всё равно может резко отклоняться от многолетнего среднего.
Работает на: около 1012 FLOPS приблизительно настольный компьютер застройщика, минуты на участокС: 1981 к 1981 году: первая компьютерная оценка ветровых ресурсов для размещения ветропарков
Риск столкновений мегасозвездий
Десятки тысяч спутников на общих низких орбитах отслеживают на фоне существующего мусора, чтобы оценить сближения, маневры уклонения и влияние отказов.
Вопрос, на который отвечает: Сколько столкновений добавит мегасозвездие и как быстро нужно убирать вышедшие из строя спутники?
Не учитывает: Будущая частота запусков, частота отказов и поведение операторов — допущения, а мелкие неотслеживаемые обломки известны плохо.
Работает на: около 1014 FLOPS приблизительно дни на кластере для десятилетий орбитальной эволюции.С: 2017 Исследование Radtke и коллег о том, как мегасозвездия взаимодействуют с окружением космического мусора. источник
Вероятность столкновения при сближении
Предсказанные орбиты двух объектов с их неопределённостями используют, чтобы вычислить шанс, что они столкнутся при близком прохождении.
Вопрос, на который отвечает: Стоит ли включать двигатели, чтобы уклониться от этого близкого сближения?
Не учитывает: Неопределённость орбит часто занижают, а единая вероятность сильно зависит от предполагаемой формы ошибки.
Работает на: около 106 FLOPS приблизительно секунды на сближение, расчёт по тысячам объектов.С: 1999 Анализ Алфренда и коллег ошибок в вероятности столкновения. источник
Литьё и затвердевание металла
Расплавленный металл заполняет форму и застывает. Прослеживают, где он плохо заполняет или усаживается в дефект.
Вопрос, на который отвечает: Правильно ли заполнится эта отливка и где образуются дефекты?
Не учитывает: Настоящие условия в печи и форме меняются сильнее, чем в одной смоделированной заливке.
Работает на: около 1014 FLOPS приблизительно кластер инженерной фирмы, часы на случайС: 1985 к 1985 году: первые компьютерные симуляции этого производственного процесса
Моделирование сварки
Плавление, перемешивание и остывание металла в узкой зоне вокруг сварного шва, вместе с напряжениями, которые коробят готовую деталь.
Вопрос, на который отвечает: Выдержит ли шов и насколько деталь поведёт после этого?
Не учитывает: Предполагает чистые стабильные условия сварки, которых ручная сварка не всегда обеспечивает.
Работает на: около 1014 FLOPS приблизительно кластер инженерной фирмы, часы на случайС: 1975 к 1975 году: первые компьютерные симуляции этого производственного процесса
Моделирование аддитивного производства
Деталь, выращиваемая слой за слоем движущимся источником тепла; модель следит за нагревом, плавлением и остаточным напряжением, которые это оставляет.
Вопрос, на который отвечает: Покоробится ли готовая деталь или треснет и как её ориентировать на платформе печати?
Не учитывает: Симуляции целых деталей с настоящим разрешением по-прежнему слишком медленные для большинства производственных графиков.
Работает на: около 1014 FLOPS приблизительно кластер инженерной фирмы, часы на случайС: 1995 к 1995 году: первые компьютерные симуляции этого производственного процесса
Обработка металла давлением и штамповка
Листовой металл или горячая заготовка прессуются, штампуются или куются до окончательной формы.
Вопрос, на который отвечает: Треснет ли металл или сомнётся, прежде чем примет окончательную форму?
Не учитывает: Предполагает однородный исходный лист; настоящие партии материала различаются сильнее.
Работает на: около 1014 FLOPS приблизительно кластер инженерной фирмы, часы на случайС: 1980 к 1980 году: первые компьютерные симуляции этого производственного процесса
Симуляция механической обработки
Режущий инструмент снимает металл стружкой; модель считает силы, нагрев и износ, которые при этом возникают.
Вопрос, на который отвечает: Как быстро можно резать, не ломая инструмент и не портя чистоту поверхности?
Не учитывает: Износ инструмента на множестве деталей по-прежнему в основном оценивают по прошлому опыту, а не из первых принципов.
Работает на: около 1013 FLOPS приблизительно кластер инженерной фирмы, часы на случайС: 1982 к 1982 году: первые компьютерные симуляции этого производственного процесса
Симуляция литья под давлением
Расплавленный пластик заполняет полости формы и остывает до окончательной формы.
Вопрос, на который отвечает: Равномерно ли заполнится форма и где она покоробится или даст дефекты?
Не учитывает: Настоящие партии пластика различаются в том, как именно текут, сильнее, чем предполагают стандартные данные о материале.
Работает на: около 1013 FLOPS приблизительно кластер инженерной фирмы, часы на случайС: 1976 к 1976 году: первые компьютерные симуляции этого производственного процесса