淺談高速運算電腦模擬與分析
- 林佩瑩／台北
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電腦在結構與流體力學的模擬與分析應用非常廣泛，從航太、材料、化學反應、醫療、污染擴散、氣象、地震、乃至於發電，透過模型的建立、數值分析方法和電腦模擬計算，以了解和分析上述相關問題，及幫助系統和元件的設計、製造。曾於美國阿拉巴馬大學航空航天工程及機械學系任教，也是TSRA(Translational Science Research Associates)公司創辦人鄭智雄博士指出，運用電腦模擬分析實際和複雜的問題需有龐大的運算能力，才能在有效的時間內獲得精確結果。
電腦模擬與分析首先牽涉到模型的建立與選擇，模型則有物理基礎與數據基礎兩種，物理基礎模型包括各種不同的守恆定律，數據模型則是透過數據建立變數之間的關係，科學家透過這兩種模型的選擇來描述相關的研究問題。早期模擬是透過數學方法解決模型來獲得模擬結果，電腦和數值分析方法問世後，科學家得以運用電腦運算能力，不僅可處理更複雜的問題，提高模擬結果的精確度，研究時程也可大幅縮減，對人類社會發展有極大助益。
鄭智雄博士以美國阿波羅太空艙為例，太空艙返回地球進入大氣層時，極音速的飛行產生震波並導致極大的阻力與熱傳導，因此有不同的熱保護設計來保障太空人與載物的安全，在下一代的太空艙設計，使用逆流噴射氣體做為熱保護，透過電腦模擬氣流與太空艙之間的互動，發現此方法可大量減少阻力和熱傳導。此技術也被美國國防部研究應用於極音速飛彈來增長飛行的時間和距離，同時也曾被美國國家太空總署用來研究降低新一代商業超音速飛機音爆的可行性。
近期低軌衛星被納入下一代通訊技術範疇，由於發射衛星所需的火箭技術過去都掌握在先進國家手中，因此台灣要發展太空科技就必須掌握火箭技術。火箭燃料可分為固態、液態與混合等三種，無論使用哪一種燃料，燃燒後會產生高溫氣體，因此如何散熱以保護火箭噴嘴是一個重要的問題。
另外燃料的混合與燃燒對液態和混合火箭的推力與效率有很大影響，還有渦輪泵的效率與壽命直接影響了液態火箭的可靠性。因此在火箭各個元件的設計與系統整合過程，科學家大量運用電腦模擬與分析來達到火箭推力及效力的最佳化。
電腦模擬與分析也被應用於醫療領域中，鄭智雄博士曾協助醫療院所建立模型，模擬睡眠呼吸中止症患者上呼吸道擴充手術前和手術後，呼吸道的氣流場及壓力差，希望透過電腦模型的建立和模擬，幫助醫師在其他案例的手術前能夠更容易決定呼吸道擴充的程度。
從上述案例可看出電腦模擬與分析對各個產業發展的重要性，高效運算能力不僅大幅縮短電腦模擬所需要的時程並提升研究的執行效率，更讓學者有能力分析更複雜的問題與數據，從而提升研究的精準性與可信度，這也是各先進國家競相投入超級電腦的主因。
鄭智雄博士接著表示，善用超級電腦運算能力，已成為美國學術研究常態，除聯邦政府外，美國大部分州政府也提供高速運算服務。對於國網中心的台灣杉超級電腦計畫，他抱持樂觀態度，希望國網中心不僅在AI、大數據及網路安全的研究上，也能在電腦模擬與分析方面扮演領頭羊角色，提升台灣的自主研發能力，以促進台灣各產業在國際市場上的競爭力，並與各學術單位合作提升研究品質，培養與鼓勵下一代學生的學術研發。
