发展工业软件 助力中国智造

□《民生周刊》记者 罗燕

随着互联网、人工智能等信息技术与制造业深度融合，制造业的智能化水平逐步提高，工业4.0时代来临。

各行各业都将迎来变革，传统制造业转型升级势在必行。如何提高企业的数字化水平？如何实现由中国制造到“中国智造”的转变？这些都是我国经济发展中的重要问题，值得深入关注。

“这是一个很好的时机”

“如果30年前我在计算机上提交一个任务，它可能到现在还没算完。但如果我现在重新提交这个任务，用现在的计算机，几个小时就算完了。”提到计算机的发展，汪林望经常这样假设。

汪林望是国际知名材料计算专家，曾在美国顶尖研究机构担任资深研究员，去年退休回国。30多年来，他在计算方法和跨尺度材料计算领域深耕，发展了10多种算法和程序，被广泛应用。

计算机的计算速度、计算能力出现了几十万倍的增长，带来了一系列革命性的变化。显而易见的变化是，网络购物的流行，数字经济的到来。

材料计算专家汪林望

“它同样带来了科技上的革命，如材料计算学的兴起。”汪林望说，大尺度、长时间物理建模能力的显著提升，使得材料计算能够以从头算的高精度计算材料特性，并用来预测多种材料类型的结构与性能的关系，发现新的结构。同时，人工智能（AI）也开始被用来探索材料的组成空间，识别新的结构。在生物材料、能源材料等应用领域，如何将包括物理建模、数据科学、机器学习的计算方法与材料表征、合成和加工方法相结合，加强对材料原子尺度过程的基本理解，加速材料发现和应用，已经成为工业界重要的发展方向。

“材料计算在工业界真的派得上用场，它推动的不是某个行业、某个工业领域的变革，而是整个工业领域的变革。”汪林望说。

中国正处于产业转型升级的关口，对工业升级十分重视，支持力度非常大，市场投资热情也很高，汪林望认为，“这是一个很好的时机”。

攻坚科技硬核 提升软实力

多年来，虽然身在国外，但汪林望一直密切关注中国工业的发展。他发现，中国很多企业的生产水平已领先世界，如锂电池、光伏产业、稀有金属行业等。“产业要再升级，必须在研发上投入更多。”

然而，有些企业不重视研发，或者在研发方面投入很少。有的企业想进行研发，但研发能力不足。在汪林望看来，在工业4.0时代，材料是关键，它是整个工业高科技的产业基础。比如，在碳中和新能源、后摩尔时代的微电子、生物制药等领域，重要的不是设计一个零部件或一台机器，而是原子分子层面的材料研发和设计。

汪林望现在担任北京龙讯旷腾科技有限公司首席科学家。这家企业自2015年成立以来便致力于国内材料计算模拟工具软件研发，将基于量子力学的原子级别计算应用到研发生产环节。企业的愿景是开发一款以量子力学为基础，原子层面的材料工业软件。但汪林望发现，工业界习惯于传统的研发模式，对材料计算普遍不了解。“需要通过一定的教育告诉他们，现在已经可以通过计算模拟的方法加速新材料研发了。”

软件对于企业的研发至关重要。国际上也有很多开源软件，但不少企业研发人员发现，各种开源软件并不好用。汪林望计划把这些开源软件集成起来，处理得比较“光滑”，放到一个大的网上平台，便于用户使用。

“对很多情况，特别是在各种AI 技术的帮助下，模拟各种材料性能的计算方法已经存在，但没有很好地集成起来、串起来。”汪林望说。他计划开发一款超越现在以牛顿力学为基础的工业软件，它将以量子力学为基础，可以计算材料的各种物性，并借助于AI方法，跨越时间与尺寸的鸿沟，为工业界所用。这就是Q-CAD（量子力学计算机辅助设计）软件，也被称为“后工业软件”。

他希望，中国企业可以更容易地使用上这种“后工业软件”，实现产业转型升级。

研发速度升上去 成本降下来

随着产业的转型升级，研发创新将成为企业的核心竞争力。但产品研发周期长、研发成本高等因素让一些企业放弃自主研发。

现在，很多材料研发本质上还是试错，盲目性非常大，这样也就推高了研发成本。汪林望提出：“我们可以把盲目试错改成理性设计，大大提高效率，降低成本。”

比如，要研究一个新材料，如果不知道正确的合成方法，要把这种材料真正做出来非常困难，这样就会延误对这个材料的性能研究。但如果在计算机上，根据原子排列，进行模拟设计，研发时间可能从一两年缩短到几个月。

在机械工业上，传统工业软件已经深入到工业设计当中。像汽车碰撞试验，旧的方法是通过实际碰撞得到试验数据，那样成本高昂。但如果通过模拟也能得到同样结果，成本就可以降低很多。但传统工业软件依赖材料参数，而怎么得到这些材料参数，就需要新一代的工业软件，就是Q-CAD软件。

产品工艺流程的改变也可以充分利用计算的方法。怎么制作一个产品？产品的特性如何？这里包括空间、时间等多个尺度。现在可以通过人工智能，也就是机器学习的方法大大拓展量化计算所能达到的尺度。

无论研发能力如何，企业都会对产品改进有兴趣。汪林望认为，如果能帮助企业进行一些模拟，开展原子层面的计算，他们就会更明白自己的产品是怎么回事、问题在哪里，改进的时候会更加有的放矢。

“中国制造业最需要的就是研发，我们只是提供一个新的工具，让企业在材料产品研发上更加有力。”汪林望希望，材料计算可以深入更多企业，提高企业的研发水平和研发速度。

目前的难题在于，材料计算软件甚至所有工业软件的开发都需要较长周期，要将多个学科的知识、方法进行集成应用。这要求软件开发人员既懂计算机应用，又懂方法，有扎实的数学、物理知识。

汪林望指出，现在国内的程序员很多，但精通物理、数学等多学科知识的程序员不多，人才培养还需要一个较长的过程，“要做的事情还有很多，但未来可期。”