会议纪要
2023年8月23日，第九届高性能计算中间件技术研讨会（HPCMid2023）成功召开。本届研讨会以“学科交叉多物理场耦合计算”为主题，聚焦国家重大装备需求中多物理场耦合计算，探讨多物理耦合工业软件的挑战与机遇。
一、研讨会简介
高性能计算中间件技术研讨会面向科学与工程计算数值模拟应用在当前及下一代超级计算机上面临的挑战，围绕高性能计算中间件关键技术，邀请国内外学者报告最新研究进展并探讨未来发展趋势。会议创办于2015年，每年固定在全国高性能计算学术年会前一天举行，已分别在无锡、西安、合肥、青岛、呼和浩特、绵阳、珠海、济南(线上直播)成功召开了八届，今年是第九届。
二、研讨会概况
本次会议吸引了来自高等院校、科研院所等100多位专家学者。会议议程包括邀请报告和Panel主题讨论两个环节。
报告环节安排了12个邀请报告，报告人分别为：
● 戴梧叶 研究员（北京空天技术研究所）
● 莫毅 高级工程师（中国航空发动机研究院）
● 衡益 教授（中山大学计算机学院）
● 陈艺冰 研究员（北京应用物理与计算数学研究所）
● 张汉 副教授（清华大学）
● 张晨松 研究员（中科院数学与系统科学研究院）
● 郭亮 研究员（中科院长春光学精密机械与物理研究所）
● 穆朋聪 助理研究员（中科院微电子研究所）
● 王卫杰 副研究员（中物院高性能数值模拟软件中心）
● 刘利 副教授（清华大学）
● 杨章 副研究员（北京应用物理与计算数学研究所、中物院高性能数值模拟软件中心）
● 王鑫 副研究员（中物院高性能数值模拟软件中心）
在Panel主题讨论环节，陈艺冰、戴梧叶、衡益、刘利、杨章、张晨松作为嘉宾，围绕 “学科交叉多物理耦合模拟的机遇与挑战” 与参会人员进行了热烈的讨论。
三、邀请报告
首先研讨会共同主席莫则尧研究员做开幕致辞，介绍了本届研讨会的背景与主题。会议探讨学科交叉的数值模拟，从物理建模、数值方法、软件研制、并行计算支撑、前后处理等方面一起贯通，更好得推动超级计算运用在国家重大装备仿真领域中。他希望参会同行能借助研讨会的平台，交流新进展、碰撞思想火花、踊跃提问，取得预期收获。
上午的报告由张林波研究员和刘杰研究员主持。
● 来自北京空天技术研究所的戴梧叶研究员分享了题为《高速飞行器目标特性分析方法与软件研发》报告。报告介绍了高速飞行器流场、热环境、辐射特性等目标特征的分析方法。报告总结了各类目标特征的计算模型，并指出紧耦合将带来尺度效应、高度效应等，需要进行特殊处理。报告介绍了当前软件研发进展，并以类X37B飞行器为例介绍使用该软件进行飞行器目标特征分析的详细流程。
● 来自中国航空发动机研究院的莫毅高级工程师分享了题为航空发动机燃烧室两相湍流燃烧一体化仿真软件研发与验证》报告。报告围绕航空发动机燃烧室工程实际应用仿真需求，针对燃烧室内复杂的两项湍流燃烧物理化学过程，介绍了高保真一体化并行仿真软件的研发与验证工作。详细介绍了发动机燃烧室中的雾化仿真、油膜仿真、蒸发仿真、湍流仿真、燃烧仿真等关键功能所涉及到的物理建模与分层级测试校准结果。
● 来自中山大学的衡益教授分享了题为《FIND Multiphysics：A HPC+AI Solution for Industrial Optimal Design》报告。报告基于团队自主研发的FIND Multiphysics框架，探讨HPC+AI For Science在复杂多尺度、多物理场耦合工程应用场景下的研究新范式，并将其应用到了反渗透膜组件的优化设计中，有望突破下一代先进膜材料应用中面临的膜污染等瓶颈问题。
● 来自北京应用物理与计算数学研究所的陈艺冰研究员分享了题为《极端条件下三维多物理问题数值模拟与中间件》报告。报告围绕北京应用物理与计算数学研究所自主研发的极端条件下三维多物理耦合并行数值模拟软件——JUPITER，介绍了该软件在炸药爆轰、材料断裂、中子输运、辐射热传导、热力化耦合等核心功能，重点介绍了该软件在利用高性能中间件实现极端场景物理建模、高置信度数值模拟、大规模并行计算时所遇到的挑战性问题。
● 来自清华大学的张汉副教授分享了题为《裂变反应堆多物理耦合数值模拟研究》报告。报告从裂变反应堆数值模拟所面临的重大需求出发，介绍了核工程领域在多物理耦合方面所面临的关键问题与国内外研究现状。核工程领域存在极端条件、极端尺度、多物理、强耦合等特性，需要高效、稳健的非线性数值求解方法，报告介绍了团队在直接联立求解、JFNK算法等方面的研究进展并展示了计算效果。
● 来自中科院数学与系统科学研究院的张晨松研究员分享了题为《多物理场耦合问题解法器软件研发》报告。报告指出多物理全耦合模拟的关键在于如何高效求解大规模线性、非线性系统，其核心是高效、稳健的迭代法求解器，介绍了与北京九所合作发展的AMG解法器最优参数选择器——AutoAMG，能够根据矩阵特性自动选择配置参数，获得最优的求解速度。报告还展示了团队为多物理场耦合问题所开发的全开源解法器工具链——OpenCAX，并介绍了未来的技术路线。
下午的报告由戴梧叶研究员和陈艺冰研究员主持。
● 来自中科院长春光机所的郭亮研究员分享了题为《基于光机热集成的空间相机主动热光学技术研究》报告。报告将光机热集成分析方法和主动光学技术相结合应用于空间相机中，在光机热集成仿真中引入了灵敏度分析，可以更加准确的描述光学系统的热光学特性。报告详细介绍了标定区间方法、不确定度传播、集成参数领面度分析、灵敏度分析等理论，及其在大型空间相机研制过程中的应用。
● 来自中科院微电子所的助理研究员穆朋聪分享了题为《半导体器件模拟的有限元方法研究及应用》的报告。报告介绍了半导体器件模拟的稳定、高效有限元离散方法，基于三维并行自适应有限元平台PHG，研制了三维半导体器件模拟并行程序DESIGN。报告详细介绍了半导体器件模拟所涉及到的漂移扩散模型、量子校正漂移扩散模型以及在诸多半导体期间上的模拟结果。
● 来自中物院高性能数值模拟软件中心的王卫杰副研究员分享了题为《电子学系统“结构-电磁-传热”耦合大规模并行数值模拟方法与软件》报告。报告从装备电子学系统可靠性的工程问题出发，首先分析了电子学系统多物理耦合机制与高效建模方法，进一步提出了基于分布式异构网格的多物理耦合高精度数值方法，最后介绍了“结构-电磁-传热”多物理耦合并行计算的挑战与解决方法，并展示了在装备电子学系统耦合分析方面的应用进展。
● 来自清华大学的刘利副教授分享了题为《地球系统模式通用耦合器C-Coupler研发进展》的报告。本报告关注大气模式中的多物理耦合需求，介绍了耦合器C-Coupler 研发历程、主要功能和应用情况。重点介绍了耦合配置、自动耦合生成技术、支持超高分辨率耦合的C-Couple3耦合器与集合耦合同化系统。
● 来自北京应用物理与计算数学研究所、中物院高性能数值模拟软件中心的杨章副研究员分享了题为《领域通用高性能多物理场耦合并行框架》的报告。报告从真实装备所面临的学科交叉多物理耦合场景出发，分析了多种多物理场耦合技术现状，介绍了领域通用、自动并行的高性能多物理场耦合并行框架JASMIN3C。报告重点介绍了JASMIN3C所采用的高可扩展性统一学科内耦合与跨学科耦合软件设计方法，以及耦合器、高性能插值、并行通信等方面所采用的关键技术。
● 来自中物院高性能数值模拟软件中心的王鑫副研究员分享了题为《面向多物理场耦合计算的前后处理通用模型与并行算法》的报告。报告关注多物理耦合模拟中精细建模与复杂几何对网格生成与可视化分析带来的挑战，介绍了多源异构前后处理通用模型与高可扩展性的前后处理并行算法。在前处理方面，报告介绍了可计算几何建模、表面嵌入算法、尺寸场构造算法以及高质量、高复用的并行可扩展网格生成算法；在后处理方面介绍了可绘制数据模型、基于通道分离的多源异构数据融合绘制方法、与高复用、高精度、高性能的多源异构数据集并行可视化分析算法。
四、Panel 讨论
Panel讨论环节由张林波研究员主持，邀请了陈艺冰、戴梧叶、衡益、刘利、杨章、张晨松六位嘉宾围绕“学科交叉多物理耦合模拟的机遇与挑战”这一主题开展深入讨论与交流。六位嘉宾结合各自研究与经验，畅所欲言，现场气氛十分热烈。
首先是每位嘉宾分别作了3分钟左右的观点发言。
陈艺冰研究员指出，从理论方面，单物理过程到多物理过程的数学理论目前尚不完善，这样的欠缺导致在数值格式设计方面缺乏有效的理论指导。目前广泛采用的耦合方式是算子分裂方法，但是该方法损失很多物理信息，会破坏方程性质，甚至引入很多非物理信息。从软件研发方面，多物理耦合已经超过了单一团队的能力，需要跨团队甚至跨单位合作。
戴梧叶研究员结合多年CAE软件研究的经验认为，目前在很多领域缺少合适的物理模型，现有模型缺乏复杂场景下的实验验证。多尺度特性对计算方法提出诸多挑战，在并行计算方面，多物理耦合模拟中不同物理过程的算法差异较大，需要新的负载均衡算法来保证并行效率；在人才需求方面，多物理软件开发对物理建模、数值算法、软件开发、并行计算、硬件优化等方面，需要多领域全栈式人才。
衡益教授结合自身教学经验指出，多物理耦合工业软件具有多学科交叉特性，目前我国高校较大多没有开设相关专业，成熟的复合型人才培养方案及课程配置比较缺乏，国内工业软件人才供给严重不足，这个领域非常缺人，需要加大对人才培养的投入，提高人才培养质量，加大择业价值观宣传，吸引更多优秀人才投身工业软件行业。
刘利副教授分享了自己的看法，气象问题有很大的不确定性，单一问题可以提出很好的物理模型，但是将其耦合为一个更大的气象模式时，误差会传递累计，最终导致结果不正确；在人在培养方面，高质量人才的培养曲线会很长,尤其是培养一个领军人物，需要各行业的学科知识，每方面都要重视，这样的领军人物必须要在这个行业去锻炼。
杨章副研究员结合领域通用框架研发的经验认为，多物理耦合广泛存在与重大装备当中，为高性能计算、并行计算研究提供了新的发力点。例如软件中心的并行方法以及并行框架，能支撑发动机，也能支撑武器物理，这些东西都是国家真正的装备，我在这里面做的每一个工作都可以直接在国家层面看到价值，所以我觉得这是挺兴奋的一件事情。学科交叉，它一定不是简单的并行计算，不是简单的做一个通信负载均衡就能解决，至少要考虑平衡性能，可编程性，功能可扩展性。
张晨松研究员谈到，多物理场耦合计算很重要！但是和应用方面的学者专家交流时，需不需要做紧耦合的模拟、紧耦合的模拟代价有多大是一个需要讨论的事情。在很多情况下，可能很多人并不赞同把物理搞得非常的复杂。在什么样的条件下做紧耦合，因问题而定，同时和应用需求也有关系。
在随后的互动环节中，现场听众踊跃发言，问题范围涉及通用耦合中间件研发、多物理耦合软件生态等等。六位嘉宾及主持人针对以上问题，进行了精彩的发言，阐述了自己的观点，引发了大家热烈的讨论。
针对大家的观点，莫则尧研究员指出，多物理耦合的多样性，目前都是从领域出发，而实际装备需求中，可能在不同位置、不同时间涉及到多种耦合方式，需要一种通用的、支持多种耦合方式的耦合中间件。在物理机理上存在本质困难，而在物理机理探索过程中涉及到大量的数值模拟，中间件能够为物理专家开展机理研究提供快速开发、快速试错能力。通用耦合中间件结合异构计算能大幅提升物理发现的速度。
最后，Panel主持人张林波研究员总结发言，希望大家更多的从中间件角度开展工作，从更加通用、更加底层的角度分析、看待问题，从而推进中间件的发展。
Panel环节激发了大家的思想，引发了热烈讨论，大家意犹未尽，希望会后针对某些问题能够继续开展深入研讨，并期待明年的HPCMid2024研讨交流。
