薯片几何学、尿布流体力学：超级计算机已成接地气的秘密武器

近日在国际超算大会（ISC 2019）揭晓的最新一期全球高性能计算机TOP500榜单上，共有219台设备来自中国大陆，份额蝉联第一，远超美国的116台。不少人可能觉得，这些“高大上”的超级计算机离我们十分遥远。其实，超算的力量早已进入日常生活，产生了许多接地气的应用。

比如，土豆够不够接地气呢？美国品客薯片公司的技术人员就曾多次来到国际超算会议上作报告，大谈特谈“薯片空气动力学”。

空气动力学是一门研究空气如何影响物体的学科，科学家们借助超级计算机建构高速运动物体，例如高铁、赛车或飞机的数字模型，模拟在各种条件下的运动情况，对结构和参数进行优化，这并不稀奇。但鲜为人知的是，薯片在流水线上的生产过程也非常非常快，经常会被抛飞起来掉到生产线以外，产生大量浪费。品客公司最晚在本世纪初，已经开始用超算来计算相关的空气动力学问题，减少薯片抛洒情况。

薯片成形

此外，空气动力学也涉及到液体与固体相互作用的问题。品客还会用超算模拟炸薯片过程中的油与蒸汽，设计出最合适的薯片形状，使得薯片被均匀地烹炸。

薯片过油

品客薯片的形状看起来是很有特色，并非只有简单的一个弧度，在数学上称为双曲抛物面。更形象一点说，像一块马鞍。

双曲抛物面的薯片

考虑到马鞍的承重作用，你或许就能理解品客薯片设计成如此形状的目的：抗压不易碎。建筑师们就会把双曲抛物面设计用在大型建筑的屋顶上，例如加拿大丰业银行马鞍体育馆和瑞典斯堪的纳维亚体育馆。

加拿大丰业银行马鞍体育馆

当然，有了双曲抛物面这个概念，最终敲定形状的细节还是要靠超级计算机。

相比起来，品客的竞争对手乐事似乎对薯片的设计形状不那么上心，这可能与乐事主打袋装的原切薯片有关，即直接由土豆切片，而非由土豆淀粉合成。原切薯片的形状不好标准化控制，但超算依然有用武之地。

乐事（左）对比品客（右）

乐事薯片也曾在超算学术会议上报告过空气动力学，把切好的土豆片用空气弹射到空中，再撒上作料，落下装盒。弹射的速度、角度和洒料的方式，都是数值模拟优化后的结果。

薯片洒料

超算已经成为薯片行业内“公开的秘密武器”， 计算机“芯片”与“薯片”的英文单词又凑巧都是“chips”。宝洁公司建模与仿真部（没错，日用品公司还有这个部门）的研发人员就曾对媒体透露，用超算研究薯片并非只此一家，只是品客所属的宝洁公司多年来都热爱对外讲述超算的接地气应用。

薯片装盒

这家日用品巨头还会用超算来设计婴儿尿布，为了让尿液不渗漏出来，尿布的形状、材料、膜片尺寸和流体动力学都是关键的因素，必须动用超级计算机的效率。

这些薯片空气动力学、尿布流体力学有时还会发挥更大的作用。宝洁公司与一些国家实验室和制造业企业建立起了合作，看看用来防止薯片破碎和尿布渗漏的超算成果能否帮助解决他们的问题。例如，宝洁为模拟出了许多种皮肤与沐浴露相互作用的数值，这些模型可能帮助汽车制造商进行碰撞测试，或者为军用护具提供参数。

算力已经逐渐成为行业发展的刚需。更别提新能源汽车、高端制造、基因生命科学这些些热点新兴产业都需要大量地耗费算力。中科曙光高性能计算产品事业部首席科学家吉青在介绍曙光新一代硅立方超级计算机时介绍道，这台在国际超算大会展台上吸引无数外国友商前来“围观”的炫目机器，比起前代不仅在计算、网络、存储、节能、融合管理等方面实现了约一千万倍的综合性能提升，更强调真实地处理“热数据”，而非“冷数据”。

“就像一个人每天打开手机要看的气象预报，或者出行需要进行路线选择，这背后都是超级计算。我们预报热带风暴、预报洪灾，设计三峡大坝等等，数据需要实时交互处理。这样超算次啊真的能用起来，支撑实际业务。”吉青说道。

此外，在中国高速发展的路况监控也会产生巨大的算力需求。前端每增加约50万个摄像头，后台就需要上一台超级计算机。除了我们所熟悉的城市监控，飞机和高铁沿线也需要布置摄像头来预警紧急情况，排除故障。

对于蓬勃发展的算力需求而言，中国超算虽然在顶尖超算和整体份额上进步迅速，但应用的广度和深度也有明显的欠缺。新一期TOP500榜单上，中国大陆的219台超算占据了44%的份额，只贡献了30%的计算性能，而美国的116台超算贡献了38.4%的计算性能。

国家超级计算广州中心主任卢宇彤也注意，TOP50的超算设备中仅有1台来自中国的商用系统。虽然超算已非阳春白雪，但中国的大型超算设备仍主要用于科学计算，尚需时间来大规模向商业辐射。中国在超算软件和应用开发上需要更多与硬件开发相匹配的投入，在设备和应用之间搭建桥梁。