NASA舉辦挑戰賽 加快標誌性CFD軟體運算速度

利用FUN3D模擬安裝在國家全尺寸氣動研究綜合體內的UH-60旋翼系統

FUN3D的網格自適應功能可對高升力系統流動關鍵區進行網格加密

計算流體力學（CFD）如今已經成為飛機設計的基礎手段。風洞和飛行試驗通常被用來驗證由CFD建立的物理模型。隨著複雜航空器空氣動力學模擬能力的提高，CFD軟體也得到了長足的發展。

一些CFD軟體已經在超級計算機上大規模應用，但即使這樣，對於完全優化一個設計方案來說，利用CFD進行大量的分析計算還顯得非常耗時。隨著工程師們對愈發複雜的、非傳統高效氣動構型探索的不斷深入，CFD計算的時間成本正在成為一個瓶頸。

NASA為何要加快其超級計算機CFD計算軟體運算速度？

FUN3D代碼在過去的35年發展的非常迅速，目前已經到了第14版（Version 14）；

非傳統布局的複雜氣動問題需要進行更多的CFD分析；

設計師希望能夠使用CFD代碼實時優化空氣動力特性；

NASA希望通過架構、軟體和其它改變實現CFD計算的加速。

NASA目前使用的FUN3D是一個強大的、多功能的CFD計算程序，被來自美國大學、工業界和政府機構的研究人員和設計師廣泛使用。該軟體支持基於物理的空氣動力學分析，可進行全機氣動模擬，被視為一種國家資產。該軟體已經開發超過30年之久，計算能力大幅增長。

由於設計飛機、旋翼機、航天器等飛行器的需求不斷增加，FUN3D目前佔據了NASA昴宿星（Pleiades）超級計算機計算機時的12%，大約每年2億機時。該軟體主要用於降低機體雜訊和聲爆的研究，以及從直升機旋翼到空間發射系統的設計。

NASA航空研究任務事務部已經啟動了一個競賽——「高性能快速計算挑戰」，旨在尋找如何將FUN3D程序在「昴宿星」超級計算機上的運算速度提高10~10000倍，而同時不降低計算精度的方法。目前，該挑戰賽已經在兩個眾包平台——「HeroX」和「托普科德」（TopCoder，它是一個眾包式開發者編程社區，開發者可以通過解題獲取報酬。TopCoder同時也是一家專門組織計算機程序設計競賽的公司）上啟動，挑戰者們將為55000美元的獎金展開角逐，截止日期是6月29日。

NASA革命性航空概念計劃下負責此次挑戰賽的項目經理邁克爾·赫特表示，「在昴宿星上通常需要一周的時間才能給出計算結果，這並不是實時的。如果我們能夠加速這一過程，設計師們在當天就能獲得結果，實時地分析結果，並根據結果停止或調整進行中的試驗。」

明尼蘇達州立大學教授格雷漢姆·坎德勒表示，「我們通常在能夠應對的最大網格上計算，而不是我們希望運算的網格。」在CFD計算中，網格量的大小決定了流動物理特性捕捉的精度。

NASA旨在利用挑戰賽為解決CFD計算時間問題提供一個不同的視角，或者至少對其內部研究人員是否在正確的軌道上前進提供一個外部驗證。赫特表示，FNU3D需要加快運算速度10000倍用於下一代飛機設計中。

提高FUN3D運算速度帶來的好處將是巨大的。普渡大學副教授喬納森·伯吉斯表示：「FUN3D是一個廣泛應用於複雜布局的CFD代碼，比如全機模擬。它是一個通用的代碼，在很寬的速度和使用範圍內都有效。」但是，加快CFD代碼的運算速度並不是一件容易的事，與這個代碼的開發時間、能力和複雜性有關。

伯吉斯表示，「FUN3D是一個非結構網格計算程序，相比結構網格計算程序，它使複雜外形的網格生成更加簡單，例如直升機旋翼，但缺點是計算耗時較長。」

按照哈佛大學眾包創新實驗室的建議，NASA將此次挑戰賽分成了三個部分。前兩個部分是在HeroX上的構思挑戰，以及在Topcoder上的架構挑戰。

構思挑戰主要尋求演算法改善，包括網格自適應、高階方法和高效的求解技術。赫特表示，「它的目的是確保NASA在考慮到該程序的年代和語言後，選擇正確的路線。」FUN3D是用Fortran語言編寫的，這在編程語言中一點也不現代。赫特表示：「最終的結果可能是用Fortran語言編寫的程序是唯一可用的，或者我們發現我們走在錯誤的道路上，需要採用另外的編程語言。」

架構挑戰主要是優化單個的軟體模塊以及模塊間的處理以降低計算時間。挑戰者將「採用現有的代碼，尋找道路中彎曲的地方並定位，然後有針對性的疏通和加速」。赫特強調，由於FUN3D是受出口管制的，因此挑戰賽只限美國公民參加。

基於構思挑戰和架構挑戰的結果，NASA將決定是否啟動第三階段的挑戰——改寫FUN3D並進行驗證。挑戰者們將在7月提交他們的解決方案，NASA將在8月審查結果，9月宣布獲勝的提案。NASA將在10月決定前兩個階段的挑戰是否展示出足夠的前景以啟動第三階段競賽。運算速度的改善將是巨大的。赫特表示，「進程目前還不夠快，我們需要運算速度的跨越式提升。」

坎德勒目前對加快運算速度的目標持懷疑態度，「FUN3D和大規模代碼不是手機APP，它們相當複雜，內部有許多相互關聯的流程。通過外部完全不懂CFD和數值方法的人改善這種複雜代碼從而提高運算速度的想法是幼稚的。」他表示，「不像NASA每天使用FUN3D的科研人員，外部的人根本不能勝任。我高度懷疑是否有10倍提速的可能，更不用說1000倍以上了。」

改變一個歷史悠久的、許多人非常信任的CFD代碼也是存在風險的。伯吉斯表示：「重新編寫已經經過良好驗證的類似FUN3D這樣的代碼可能會引入新的錯誤。」

坎德勒認為，採用公開挑戰的方式也會涉及代碼的出口受限問題。「任何一個下載FUN3D代碼的人都應該有一個適當的技術控制計劃，並且必須仔細保護代碼。我不明白如何在一個黑客盛行的高度協同化的軟體開發環境下做到這一點。」

但是如果新的視角能夠給航宇基礎設計代碼帶來提速，研究人員和設計人員將獲得巨大的收益。「我認為NASA有優秀的流程管理眾包創新從而實現FUN3D運算速度的提升，」伯吉斯說，「獲得的回報是短時間進行大量複雜設計計算的能力。」（霓文）

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